第四章人体平衡的生物力学

第四章人体平衡的生物力学重点：人体整体平衡的生物力学条件和特点难点：人体平衡动作的力学原理第一节人体平衡动作的力学原理一、基本概念（一）力与力系1．力是物体之间的相互作用。人体运动中的力主要是人体与地面、器械、流体的相互作用。2．力的三要素：大小、方向、作用点。力是矢量。3．力系：是反映作用于物体上的一组力。①汇交力系：作用线的延长线相交于一点的力系。②平行力系：作用线互相平行的力系。③平衡力系：在力系作用下，物体的运动状态不发生改变的力系。约束、约束反力、主动力1．约束是指阻止物体自由移动的限制。这里涉及到自由体和非自由体。在力的作用下可任意方向移动的物体叫自由体，如：腾空运动的运动员。反之叫非自由体。实际中遇到大都是非自由体，物体相互接触或相互联系而使该物体的移动受的限制，则称物体受到约束。约束反力2．约束反力是指作用于物体的力，其大小等于物体加在约束上的力方向与之相反。约束反力的方向总是同阻碍物体运动的方向相反。3．体育中，常见的约束有三种：1.无摩擦的理想约束。这种约束只阻止物体沿接触面的法向（竖直方向）移动，如站住水平地面上的运动员，其受的约束反力即地面给它的弹力。2.有摩擦的约束。这时约束不仅阻止物体沿垂直方向移动而且阻止物体作水平方向的移动，如跑动中支称腿的支反力。3.物体与接触面无直接接触，而是通过中间物体间接形成的约束。如吊环运动员通过悬索作用于房顶；滑冰运动员通过冰刀施力于冰面。4．主动力是指与约束反力性质相反的力，它使物体运动或有运动的趋势。如：物体所受的重力，人或器械对物体所施的推力、拉力等。（三）力的可传性原理力可沿其作用线任意移动，而不改变其对物体的效应。（四）力的平移定理1．力矩、力偶矩①力矩：是量度力对物体作用是产生转动效果的物理量。②力偶：是指一对大小相等、方向相反的平行力。力偶中的二力之和为零。如：司机的方向盘，拧开自来水，③力偶矩：使物体发生转动的趋势的力偶产生的力矩。其方向判定方法同力矩。2．力的平移定理力可平行于自身移动到任意一点，但需增加一力偶，其力偶矩等于原力对于新作用点的力矩。举例：跑的受力分析重力弹力摩擦力阻力阻力重力摩擦力弹力跑的后蹬动作的身体受力图人体受4个力的作用：G：重力；N：弹力；f：摩擦力；F：空气阻力。根据力的平移定理，可将N、F以及摩擦力三个力平移到重心O，并加上相应力偶矩，如图4-9所示，N′和力偶矩Nx代替N的作用，F′和Fh代替F的作用，f′和fH代替f的作用。Fh+fH-Nx0时人体向后旋转，Fh+fH-Nx=0时人体不旋转，Fh+fH-Nx0时人体向前旋转。讨论：弹力N促进身体向前旋转；摩擦力与空气阻力使身体向后旋转。增大或减小身体前倾角会有怎样的效果？（五）研究对象的受力分析1．具体步骤为：确定研究对象；画出受力图。2．方法：我们所研究的对象主要为人体，在人体上画出主动力（重力及外加的力）和约束反力（所有外界物体与人体的接触作用）。3．举例：燕式平衡，单杠直臂悬垂动作。一、力的合成与分解(一)合力与分力已知分力求合力叫力的合成，已知合力求分力叫力的分解。(二)力的合成方法1．平行四边形法则：同一点A作用的两个力F1和F2，以其作邻边画平行四边形，则平行四边形的对角线即代表这两个力的合力。2．投影法：矢量在任意轴上的投影等于矢量各分量在同一轴上投影的代数和。（三）力的分解力系的简化与平衡将作用于物体上的力系用一个合力，另加相应的力矩来表示，这一过程称为力系的简化。（一）共点力系的简化与平衡（二）共面力系的简化与平衡（三）空间力系的简化与平衡第二节人体整体平衡的生物力学条件和特点一、人体平衡的力学条件人体平衡的力学条件是人体所受的合外力为零和合外力矩为零。表达式为：∑F=0，∑M=0如：燕式平衡，单杠直臂悬垂。一、人体平衡的类型（一）人体重心的概念1．研究人体重心的意义：评定一个体育动作的质量，分析其技术特征和纠正错误动作等，都需要从人体重心的变化规律去分析，无论是动力性的动作还是静力性的姿势，探索其运动规律时，都离不开人体重心。3．特点：人体重心不象物体那样恒定在一个点上，不仅在一段时间内，要受肌肉和脂肪的增长或消退等因素的影响，即使在每一瞬间，也要受呼吸，消化、血液循环等因素的影响，特别是在体育运动中，要受人体姿势变化的制约，随姿势的改变，有时甚至移出体外。例如；体操中的“桥”，背跃式跳高的过杆动作等。2．概念：人体全部环节所受重力的合力的作用点，就叫人体重心。人体平衡的分类1．根据支点相对重心位置分类：①上支撑平衡：当人体处于平衡，且支撑点在人体重心的上方。如，体操中的各类悬垂动作。②下支撑平衡：当人体处于平衡，且支撑点在人体重心的下方。下支撑平衡在体育动作中最为常见，如；站立，自由体操和平衡木的平衡动作以及田径、武术等。③混合支撑平衡：是一种多支撑点的平衡状态，这时有的支撑点在人体重心上方，有的支撑点在人体重心下方。如；肋木侧身平衡。2．根据平衡的稳度分类稳定平衡不稳定平衡随遇平衡有限度的稳定平衡①稳定平衡：人体在外力作用下，偏离平衡位置后，当外力撤除时，人体自然恢复平衡位置，而不需要通过肌肉收缩恢复平衡。如果物体偏离平衡位置的结果是物体重心升高，则该平衡是稳定平衡，多数上支撑平衡属稳定平衡。如；单杠直臂悬垂。②不稳定平衡：人体在外力的作用下，偏离平衡位置后，当外力撤除时，人体不仅不能回到原来的平衡位置，而是更加偏离平衡位置。如果物体偏离平衡位置的结果是物体重心降低，则该平衡是稳定平衡，多数上支撑平衡属不稳定平衡，仅在下支撑平衡动作中出现，如；单臂手倒立。③随遇平衡：人体在外力的作用下，偏离平衡位置后，当外力撤除时，人体既不回到原来的平衡位置，也不继续偏离原位置，而是在新位置上保持平衡。在体育中很少见，但也有。如；连续完成的两个前滚翻。④有限度的稳定平衡：人体在外力作用下，一定限度内偏离平衡位置，当外力撤除时，人体回到平衡状态，但如果偏离平衡位置超过某一限度时，人体失去平衡。如；太极拳中的推手。人体平衡的稳定性（一）概念：人体平衡的稳定性是人体处于有限稳定平衡状态时，抵抗各种破坏平衡的作用而保持平衡的能力。（二）影响平衡稳定性的力学因素1、支撑面2、重心高度稳定角：重力作用线同重心与支撑面相应边界的连线之间的夹角。稳定角越大，稳定性越好；稳定角越小，稳定性越差；稳定角为零，人体处于临界状态。如蹲距式起跑‘预备’中运动员尽可能将重心抬高并前移，以减小前进方向的稳定角，以便快速破坏平衡。3、体重该系数表明了物体依靠重力抵抗翻到作用的能力。K＞1，平衡不破坏；K=1，临界状态；K＜1平衡被破坏。人体重量力矩越大，稳定系数越大，破坏平衡所需的外界翻到力矩也越大，即人体平衡的稳定性越好。如；摔交、拳击、柔道项目中按体重分级，原因就在于此。人体平衡的特点（一）人体不能绝对静止。由于呼吸活动和血液循环必然造成人体总重心时刻变化。（二）人体有效支撑面，由于人体软组织和力量不太大的肌肉无力平衡负荷，所以翻倒线永远位于支撑面边界之内，重力作用线未超过支撑面边界时，人体就要提前倾倒。（三）人体姿势的改变可调节平衡，人体在有翻倒趋势时往往会改变体姿，各环节会绕相邻关节发生位移。当人体失去平衡时，通过改变体姿，则可能会恢复平衡。（四）心理因素的影响，由于视觉因素造成了心理紧张，造成收缩肌群无法协调工作而导致人体失去平衡。典型的受心理因素影响的项目是平衡木。思考题：1．人体平衡的力学条件是什么？2．简述人体平衡动作的种类及特点？3．试举体育实例说明影响人体静平衡动作的生物力学因素有哪些？4．什么是稳定角、稳定系数？举例说明稳定角、稳定系数对人体平衡稳定性的影响？第二节人体平衡动作的生物力学分析在考虑整体平衡的基础上，研究人体局部平衡有助于我们更深刻的了解肌肉参与工作的方式和程度，以便确定更科学合理的姿势，我们选择了几个基本平衡动作进行分析。一、燕式平衡燕式平衡动作常见于体操、冰上运动和武术等项目中，它是以单脚支撑，身体处于水平状态的平衡动作。1．受力分析：重力、地面对人体的支持力N。2．人体平衡条件：∑F=N—G=0，N=G3．局部环节的肌肉作用：主要收缩肌群三角肌、斜方肌、臀大肌的作用，就是平衡相应环节的重力矩。4．稳定性能：燕式平衡为单腿支撑，支撑面小，身体处于不稳定状态，在该动作中，由于头和躯干的水平位，使身体重心有向前的趋势，可能使身体重心垂线超出支撑面而失去平衡。一、吊环十字支撑1．受力分析：受重力和吊环对人体的拉力。2．平衡条件：3．局部环节的肌肉作用：肩关节内收肌群（胸大肌和背阔肌）的拉力矩与身体重力矩保持平衡。肩胛下肌、大圆肌、三角肌等都起了作用。4．稳定性能：根据平衡分类，该动作是属于上支撑的稳定平衡，但由于身体的重力大，重力臂长，重力矩大，必须有强大肌肉力量才能完成，因此该姿势是不稳定的。四、直角支撑1．受力分析：受重力和器械对人体的作用力N1、N2。2．整体平衡条件：N1=N2=G/23．局部环节的肌肉作用：肩关节和肘关节周围的肌肉起固定作用，完成此动作必须使腹肌将骨盆固定在水平位，从而来发挥髂腰肌，股直肌，缝匠肌，股四头肌的拉力矩和下肢重力矩的平衡。4．稳定性：该动作属于下支撑平衡，由于下肢的重力矩使身体有顺时针转动的趋势，在两臂能支撑的前提下，腹肌对完成动作起主要作用。四、力量训练颈后负铃动作1．受力分析：受重力，杠铃对人体的作用力P和地面对人体的作用力N。2．平衡条件：ΣF=N—P—G=03．局部肌肉作用：臀大肌、股四头肌、小腿三头肌等的力量和人体重力以及杠铃重力相平衡，并且还要借助腰背力量、腹肌、竖脊肌固定控制能力。4．稳定性分析：深蹲时，身体需前倾杠铃的重力矩加大，完成动作必费力，反之，则省力。五、起跑动作（一）站立式（二）蹲距式1．受力分析：重力、地面对人体四肢的支持力。2．局部肌肉工作：髋、膝、踝都处于屈曲状态所有的伸肌处于拉长状态。3．稳定性能：在蹲距式起跑中，根据采用起跑器的不同，身体平衡的稳定性不同，普通式较稳定，拉长式最稳定，接近式最不稳定。思考题：1．绘制蹲距式起跑后蹬时的人体受力图，并解释人体有时会向前摔倒的原因？2．对体操中“桥”的动作进行生物力学分析？