1、人體平衡 Body Balance,中醫(yī)工程教研室,Fundamentals of biomechanics Duane V. Knudson 2003,Introduction to Sports Biomechanics: Analysing Human Movement Patterns Roger Bartlett 2007,Biomechanics in sport: performance enhancement and injury prevention Vladimir M. Zatsiorsky, IOC Medical Commission, International F

2、ederation of Sports Medicine 2000,Applied anatomy and biomechanics in sport By Timothy R. Ackland, Bruce Elliott, John Bloomfield 2009,運(yùn)動康復(fù)生物力學(xué) 錢竟光，宋雅偉等編著 人民體育出版社 2008,運(yùn)動生物力學(xué) 張昌亨主編 武漢體育學(xué)院出版社 1996,一、力學(xué)基礎(chǔ)理論,運(yùn)動學(xué)特征：物體的運(yùn)動在空間與時間等方面表現(xiàn)出的差異特征（運(yùn)動軌跡、路程、角度、位移、動作的先后次序與持續(xù)時間等） 以經(jīng)典牛頓力學(xué)理論為基礎(chǔ) 研究時把人體及器械看作是質(zhì)點(diǎn)、剛體或剛體系統(tǒng)處理

3、,質(zhì)點(diǎn)：具有一定質(zhì)量忽略其大小、形狀的幾何點(diǎn) 剛體：相互間距離始終保持不變的許多質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)體,一、力學(xué)基礎(chǔ)理論,位置矢量（空間矢量）,軌跡,路程與位移,一、力學(xué)基礎(chǔ)理論,速率、速度、即時速度（瞬時速度）、加速度1.運(yùn)動康復(fù)中常常關(guān)心實(shí)際通過的距離，而不關(guān)心位移2.加速度是重要的康復(fù)指標(biāo)，如步態(tài)訓(xùn)練中腳的離地,平動 轉(zhuǎn)動 復(fù)合運(yùn)動,一、力學(xué)基礎(chǔ)理論,力的概念,力是物體間的相互作用，力的作用離不開物體,力的三要素：大小、方向、作用點(diǎn),一、力學(xué)基礎(chǔ)理論,作用于剛體上的兩個力，使剛體平衡的必要與充分條件是：這兩個力大小相等、方向相反、沿同一條直線。,可傳性原理：作用于剛體上的力，可沿其作用線移到剛

4、體上任意點(diǎn)而不改變該力對剛體的外效應(yīng),二力平衡,一、力學(xué)基礎(chǔ)理論,三力平衡匯交定理,當(dāng)剛體受三個力作用而平衡時，若其中任何兩力的作用線相交于一點(diǎn)，則其余一力的作用線亦必交于同一點(diǎn)，且三力的作用線在同一平面內(nèi)。,說明不平行三力平衡的必要條件。 即：三力平衡必匯交。 三力匯交不一定平衡。,一、力學(xué)基礎(chǔ)理論,力系的概念 作用于一個物體上的一群力稱為力系 如果某個力系作用在物體上，而使物體處于平衡狀態(tài)，則這個力系稱為平衡力系 如果作用于物體上的力系可以用另外一個力系代替，而它對物體作用的效應(yīng)相同，則稱這兩個力系彼此等效。 如果一個力和一個力系等效，則這個力稱為這個力系的合力,一、力學(xué)基礎(chǔ)理論,力系的簡

5、化 1.力的平行四邊形法則,2.多邊形法則,3.力矩和力偶,力矩：從給定點(diǎn)到力作用線任意點(diǎn)的向徑和力本身的矢積 M=LF（公式） 力偶：大小相等、方向相反、作用線不在同一直線上的一對力 力偶性質(zhì)：1.力偶無合力；2.只要保持力偶距不變，可相應(yīng)改變力及力臂大小，其作用效應(yīng)不變；3.力偶對物體的作用與矩心無關(guān)。,一、力學(xué)基礎(chǔ)理論,力系的簡化,一、力學(xué)基礎(chǔ)理論,力系的分類,（根據(jù)力系中各力的作用線是否在同一平面）,（根據(jù)力系中各力線是否相交）,匯交力系,平行力系,一、力學(xué)基礎(chǔ)理論,力系的平衡,平面任意力系的一般簡化結(jié)果為一個主矢 FR和一個主矩M 。當(dāng)物體平衡時，主矢和主矩必須同時為零。,由主矢 F

6、R = 0 ，即：,得：,由主矩 M = 0 ，得：,一、力學(xué)基礎(chǔ)理論,作用與反作用定律,兩物體間相互作用的作用力和反作用力總是同時存在，大小相等，方向相反，沿同一直線，分別作用在這兩個物體上。,一、力學(xué)基礎(chǔ)理論,約束和約束反力,自由體可以在空間作任意運(yùn)動的物體。 非自由體由于受到周圍物體的限制（或阻礙）而不能作任意運(yùn)動的物體。 約束事先對物體的運(yùn)動所加的限制條件。 約束反力約束作用于非自由體的力。（簡稱：約束力或反力） 除約束力外，非自由體上所受到的所有促使物體運(yùn)動或有運(yùn)動趨的力，稱為主動力（重力、肌力、電磁力）。 約束力是由主動力引起的，故它是一種被動力。,二、人體或人體局部受力分析,人體

7、或人體局部受力分析相關(guān)概念,解決力學(xué)問題時，首先要選定需要進(jìn)行研究的物體，即確定研究對象；然后考查和分析它的受力情況，這個過程稱為進(jìn)行受力分析。 1.分離體把研究對象解除約束，從周圍物體中分離出來，畫出簡圖。 2.受力分析圖將分離體所受的主動力和約束反力以力矢表示在分離體上所得到的圖形。,二、人體或人體局部受力分析,人體或人體局部受力分析步驟,確定研究對象，取分離體（抓住主要矛盾，分離次要矛盾）； 先畫主動力，明確研究對象所受周圍的約束，進(jìn)一步明確約束類型，什么約束畫什么約束反力。 必要時需用二力平衡共線、三力平衡匯交等條件確定某些反力的指向或作用線的方位。,注意：（1）受力分析圖只畫研究對象

8、的簡圖和所受的全部力；（2）每畫一力都要有依據(jù)，不多不漏；（3）不要畫錯力的方向，反力要和約束性質(zhì)相符，物體間的相互約束力要符合作用與反作用公理。,跑的受力分析,二、人體或人體局部受力分析,花樣滑冰的受力分析,二、人體或人體局部受力分析,人體運(yùn)動的內(nèi)力與外力 內(nèi)力：人體內(nèi)部各個部分互相作用的力（肌力、韌帶張力、軟骨應(yīng)力、骨應(yīng)力） 外力： 1.重力 G=mg（重力=質(zhì)量重力加速度） 重力與運(yùn)動康復(fù)之間的聯(lián)系： 骨折后功能位的保持,二、人體或人體局部受力分析,2.摩擦力（靜摩擦力與滑動摩擦力）,摩擦力與康復(fù)： 1.骨折后的不同骨針固定選擇 2.摩擦力相關(guān)的功能訓(xùn)練 3.應(yīng)用于康復(fù)器械中，如拐杖前的

9、橡皮墊、矯形器紋路、,二、人體或人體局部受力分析,3.彈性力,虎克定律,二、人體或人體局部受力分析,4.器械的其他阻力,二、人體或人體局部受力分析,5.支撐反作用力,在靜止?fàn)顟B(tài)下地面或器械通過支撐點(diǎn)作用于人體對重力的反作用力,6.流體作用力,人體在流體中運(yùn)動時所承受的流體阻力，能抵消大部分的重力,二、人體或人體局部受力分析,什么是人體平衡？（1.力系平衡；2.加速度為0）,靜止,勻速直線運(yùn)動,二、人體或人體局部受力分析,（一）人體平衡 人體保持某一姿態(tài)的穩(wěn)定性或動態(tài)中的控制能力。,靜止?fàn)顟B(tài),勻速運(yùn)動狀態(tài),二、人體或人體局部受力分析,人體平衡的生物學(xué)特點(diǎn)： 人體不能處于絕對的靜止?fàn)顟B(tài) 人體內(nèi)力在

10、維持平衡中發(fā)揮重要作用 生物體在平衡控制中有補(bǔ)償動作 人體具自我控制與調(diào)節(jié)的能力 人體平衡受到心理因素的影響 人體平衡過程中消耗大量的能量,二、人體或人體局部受力分析,三、人體的重心及人體重心的測量方法,人體的重心：地球?qū)θ梭w各部分引力合力的作用點(diǎn) 人體所受的重力，嚴(yán)格而言是個匯交力系；但可視作平行力系,三、人體的重心及人體重心的測量方法,三、人體的重心及人體重心的測量方法,當(dāng)人體自然站立時，總重心的位置一般在身體正中面上第三骶椎上緣前方7cm處 男子的重心高度約為身高的56%，女子約為身高的55%,三、人體的重心及人體重心的測量方法,人體重心的變化特點(diǎn) 幾何形狀固定的物體，不管他怎樣運(yùn)動，其

11、重心相對于自身的位置是不變的。 人體重心的變化方向與其運(yùn)動方向一致，距離與其環(huán)節(jié)質(zhì)量和運(yùn)動幅度一致。,三、人體的重心及人體重心的測量方法,人體重心測量方法,重心板（一維或二維）實(shí)測靜態(tài)人體的重心位置,d：B點(diǎn)到人體重心的水平距離 L：板長 W：人體體重 R：板重 R：秤的讀數(shù),三、人體的重心及人體重心的測量方法,人體重心測量方法,攝影和錄像獲得的人體圖像中通過測量和計算獲得,原理：力矩合成原理 公式中：X,Y分別為總重心的橫、縱坐標(biāo) Pi為環(huán)節(jié)相對重量 xi,yi為環(huán)節(jié)質(zhì)心的橫、縱坐標(biāo),以人體左下角邊緣處O點(diǎn)為原點(diǎn)繪出直角坐標(biāo)系（OXY）。 確定各環(huán)節(jié)點(diǎn)位置。 確定頭和手的重心位置。頭的重心在

12、耳廓上緣中點(diǎn)正面觀時在兩眉間，手的重心在中指的掌指關(guān)節(jié)處。 連接關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成人體棍圖。 開始測量各環(huán)節(jié)的相片長度(以毫米為單位)，填入環(huán)節(jié)長度一欄內(nèi)。 把各環(huán)節(jié)重心至近側(cè)端距離占環(huán)節(jié)長度的比值填入半徑系數(shù)一欄內(nèi)。見表21中具體的布拉溫菲舍爾環(huán)節(jié)相對重心位置數(shù)據(jù)。,三、人體的重心及人體重心的測量方法,人體重心測量方法,攝影和錄像獲得的人體圖像中通過測量和計算獲得,三、人體的重心及人體重心的測量方法,人體重心測量方法,攝影和錄像獲得的人體圖像中通過測量和計算獲得,環(huán)節(jié)長度乘以環(huán)節(jié)相對重心位置百分比，填入環(huán)節(jié)重心近側(cè)端實(shí)長一欄內(nèi)。 按環(huán)節(jié)質(zhì)心到近側(cè)端實(shí)際長度一欄的數(shù)據(jù)，在照片上的環(huán)節(jié)上點(diǎn)出環(huán)節(jié)質(zhì)心位置

13、。頭手的位置不必計算，可以直接點(diǎn)出。 從照片上測量各環(huán)節(jié)質(zhì)心的坐標(biāo)。 把人體模型中已知的環(huán)節(jié)相對重量數(shù)據(jù)添入表內(nèi)（P）。 計算出各環(huán)節(jié)對軸之矩Px,Py。 求出Px,Py的和，即為人體總重心位置。 在照片上點(diǎn)出總重心。,三、人體的重心及人體重心的測量方法,人體重心測量方法,攝影和錄像獲得的人體圖像中通過測量和計算獲得,四、人體平衡的分類,上支撐平衡（懸垂平衡） 下支撐平衡（倒立平衡） 混合支撐平衡（肋木側(cè)平衡）,1、根據(jù)人體重心與支撐點(diǎn)的位置關(guān)系,2、根據(jù)平衡的穩(wěn)定性（穩(wěn)度）-保持平衡的能力,穩(wěn)定平衡（吊袋、懸垂 ） 有限度的穩(wěn)定平衡（人下支撐平衡） 不穩(wěn)定平衡（單臂倒立） 隨遇平衡（球的平衡

14、）,（1）上支撐平衡：當(dāng)人體處于平衡，且支點(diǎn)在人體重心的上方，這種平衡狀態(tài)稱為上支撐平衡。如體操中的各種懸垂動作。,四、人體平衡的分類,（2）下支撐平衡：當(dāng)人體處于平衡，且支點(diǎn)在人體重心的下方，這種平衡狀態(tài)稱為下支撐平衡。例如，站立、平衡木上的平衡動作。,（3）混合支撐平衡：是一種多支撐點(diǎn)的平衡狀態(tài)，這時有的支撐點(diǎn)在人體重心上方，有的支撐點(diǎn)在人體重心的下方。例如，肋木側(cè)身平衡。,四、人體平衡的分類,（1）穩(wěn)定平衡：去除破壞平衡力的作用后可恢復(fù)平衡。其特點(diǎn)是當(dāng)偏離平衡位置時，重心升高，產(chǎn)生的重力矩使物體向平衡位置運(yùn)動。 （2）不穩(wěn)定平衡：去除破壞平衡力的作用后不可恢復(fù)平衡。其特點(diǎn)是偏離平衡位置時

15、，重心降低，產(chǎn)生的重力矩使物體繼續(xù)傾倒。僅在下支撐平衡動作出現(xiàn)。,根據(jù)平衡的穩(wěn)定程度把人體平衡分為4種：,四、人體平衡的分類,（3）有限度的穩(wěn)定平衡：去除破壞平衡力的作用后僅能在有限的范圍內(nèi)恢復(fù)平衡。其特點(diǎn)是在一定限度內(nèi)的偏離平衡位置時，人體重心升高，產(chǎn)生的重力矩使人體向平衡位置移動，最終恢復(fù)平衡。（4）隨遇平衡：不管什么位置下都能平衡。其特點(diǎn)是偏離原來位置時，重心高度不變，不產(chǎn)生使物體位置移動的重力矩。,五、影響人體平衡的因素,從生理學(xué)角度： 年齡、性別、神經(jīng)控制能力、肌肉力量、身體狀態(tài)（特殊疾患）、藥物使用、運(yùn)動疲勞等。,從力學(xué)角度： 對人體而言，不穩(wěn)定平衡和隨遇平衡很少出現(xiàn)，穩(wěn)定平衡僅出現(xiàn)在上肢懸垂中，所以大多數(shù)平衡情況出現(xiàn)在下支撐的有限平衡過程中。,是人體動態(tài)平衡指標(biāo)，K是人體靜態(tài)平衡指標(biāo)。,支撐面大小,重心高低,穩(wěn)定角（ ） 重力線與重心到支撐面邊緣連線的夾角。,穩(wěn)定系數(shù)（K） 穩(wěn)定力矩與翻倒力矩的比值。,五、影響人體平衡的因素,五、影響人體平衡的因素,穩(wěn)定角：重心垂直投影線和