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体育教育多媒体课件第1页，此课件共20页哦第五章运动生物力学应用第一节第一节 人体平衡的生物力学分析人体平衡的生物力学分析一、基本概念与原理一、基本概念与原理（一）力与力系（一）力与力系力力是物体间的相互作用。运动生物力学中涉及到的力主要是发生在人体与环境之间的相互作用，如人体与地面、人体与器械以及人体与流体介质之间的相互作用。力有三要素力有三要素：大小、方向和作用点。力是矢量，有大小和方向。力的单位力的单位是牛顿（1牛顿=1千克.米/秒2，即1N=1kg.m/s2）力系力系是作用于物体上的一组力，一般在运动中作用于人体的是多个力，构成了力系。根据这一组力的分布形式不同，可以分为共线力系、共面力系和空间力系。如果在力系的作用下，物体的运动状态不发生变化，则该力系称为平衡力系平衡力系。第2页，此课件共20页哦 约束约束是指对物体运动的限制。如果物体不受约束将可以自由移动，称为 自由体，如腾空中的运动员，自由下落的物体等。约束是由于物体与其它物体相接触而是其运动受到限制所致。这种相互接触阻止物体移动，如作单杠悬垂的运动员悬垂于单杠，单杠便成为约束，人体站立地面，地面阻止人体下落，地面成为约束，对于人体上相互连接的各环节，关节、韧带和肌肉都是约束。受到约束的物体称为非自由体。约束反力约束反力是指由于约束而作用于物体的反作用力，其大小等于物体施加在约束上的力，方向与施加的力相反。主动力主动力 指与约束反力作用相反的力。它使物体运动或有运动趋势，如物体受到的重力，人体或器械对物体所施加的推力、拉力等。（二）约束、约束反力、主动力（二）约束、约束反力、主动力（三）力的可传性原理（三）力的可传性原理（图（图5-1-5-1-1 1）力可沿其作用线任意移动，而不改变其对物体的效应。如图所示，物体在点A首道一个力F，若沿着力F的作用线，将力的作用点移至B点，其作用效果不变。因为在B点加入一组平衡力F和F”作用效果不变，即三个力 F，F F”与一个力 F等效，而 F 与 F”大小第3页，此课件共20页哦相等方向相反，沿着同一条作用线，也是一组平衡力，可以去掉，而不改变作用效果，如此只剩下作用在B点的F”，其作用与原来的F相同。所以作用在A点与作用在B点对物体的效应相同。FFF”(a)BAF(b)BAF(c)（图（图5-1-1）第4页，此课件共20页哦（四）力的平移定理（四）力的平移定理1 1力矩、力偶矩力矩、力偶矩力矩力矩是量度力对物体作用时产生转动效果的物理量。力力 F F 对点对点 O O 的力矩定义式的力矩定义式为：（图图5-5-1-21-2）M=r x F M=r x F 力矩的大小力矩的大小为：M=F.r.sinM=F.r.sin力矩的方向根据右手螺旋法则判定，即右手握拳，四指由 r r 的方向转向 F F 的方向，外展的大拇指所指的方向为力矩的方向。如果仅讨论平面力矩，则通常规定产生逆时针方向转动（或转动趋势）的力矩为正值正值，而产生顺时针方向转动（或转动趋势）的力矩为负值负值。dOrF（图图5-1-2）力偶力偶是指一对大小相等，方向相反的平行力，力偶的作用力偶的作用是产生力偶矩，即力偶产生的力矩。力偶矩为：（图（图5-1-35-1-3）M=F dM=F d 其中F 为力偶中的一个力，d 为力偶中两平行力之间的距离。第5页，此课件共20页哦（图（图5-1-3）F2F1=F2dF1F力可以平行于作用线移动到任一点，但需要增加一个力偶，其力偶矩等于原力对于新作用点的力矩。如图（图（图5-1-45-1-4）在分析人体运动时经常根据力的平移定理，将力平行移动，以使分析简化。2.2.力的平行定理力的平行定理第6页，此课件共20页哦二、人体平衡的力学条件二、人体平衡的力学条件（图（图5-1-4）BAF F B F”A F dBM=FdF作用于人体的力系可以简化为一个合外力和一个合外力矩，当力系平衡时满足下列条件：F=0F=0 M=0 M=0当F=0时，人体没有平动的加速度，当M=0时，人体没有转动的角加速度，两个条件同时满足人体即达到平衡。如果力系为三维力系，平衡时：第7页，此课件共20页哦 如果力系为一维力系，适当选择矩心则力矩为零，平衡时：Fx=0。Fx=0 ,Fy=0 ,Fz=0 ,Mox=0,Moy=0 ,Moz=0,如果力系为二二维力系，平衡时：Fx=0 ,Fy=0 ，Mox=0,Moy=0.第8页，此课件共20页哦三、人体平衡的生物力学分析三、人体平衡的生物力学分析（一）人体重心的概念（一）人体重心的概念 评定一个体育动作完成的质量，分析其技术特征以及纠正错误动作等，都需要根据运动时人体重心的变化规律。特别是分析静力性动作，判定平衡的稳定性及分析动作的合理性时，必须从人体重心相对于支撑面的位置来确定。因而,人体重心的问题在体育动作分析中占有很重要的地位。物体的重心物体的重心是物体所受重力的作用点，人体的重心人体的重心也就是人体所受重力的作用点。人体由头、躯干、上臂、前臂、手、大腿、小腿和足等多个环境组成。每个环节都有各自的重心，环节的重心是环节所受重力的作用点，人体的重心是人体全部环节所受重力合力的作用点。对于一般形状固定物体，例如铁饼、标枪、铅球、足球的物体的重心位置是固定的。而人体重心不像上述物体那样恒定在一个点上，人体重心是变化的，这种变化不仅在一段时间内，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，也要受到呼吸、消化和血液循环等因素的影响，特别是在运动中，要受到人体姿势变化的影响，随着姿势的改变而改变，有时能够移出体外。第9页，此课件共20页哦（1 1）上支撑平衡上支撑平衡：当人体处于平衡，且支点在人体重心的上方，这种平衡状态称为上支撑平衡。如体操中的各种悬垂动作。（图（图5-1-65-1-6）（二）人体平衡的分类（二）人体平衡的分类1 1根据支点相对于重心的位置关系分类根据支点相对于重心的位置关系分类 根据支点相对于人体重心的位置不同，将人体平衡分为以下3 3种：L GF d（图（图5-1-6）第10页，此课件共20页哦（3）混合支撑平衡混合支撑平衡：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的下方。例如，肋木侧身平衡。（2）下支撑平衡下支撑平衡：当人体处于平衡，且支点在人体重心的下方，这种平衡状态称为下支撑平衡。例如，站立、平衡木上的平衡动作及田径、游泳举重等各类平衡动作。（1 1）稳定平衡稳定平衡：人体在外力作用下偏离平衡位置后，当外力撤除时，人体自然回复平衡位置，而不需要通过肌肉收缩恢复平衡，这种平衡是稳定平衡。其特点是当偏离平衡位置时，重心升高，产生的重力矩使物体向平衡位置运动，回到平衡位置后，合力为零，合力矩为零。（2 2）不稳定平衡不稳定平衡：人体在外力作用下偏离平衡位置后，当外力撤除时，人体不仅不能回复原来的平衡位置，而且更加偏离平衡位置，这种平衡叫做不稳定平衡。其特点是偏离平衡位置时，重心降低，产生的重力矩使物体继续倾倒。例如单臂手倒立动作。2根据平衡稳度分类根据平衡稳度分类 根据平衡的稳定程度可以把人体平衡分为一些4 4种：第11页，此课件共20页哦（3 3）有限度的稳定平衡有限度的稳定平衡：人体在外力作用下在一定限度内的偏离平衡位置时，当外力撤除是，人体回到-平衡状态，但是当偏离平衡位置超过某一限度时，人体失去平衡，这种平衡叫做有限度的稳定平衡。其特点特点是在一定限度能的偏离平衡位置时，人体重心升高，产生的重力矩使人体向平衡位置移动，最终恢复平衡，但超出某一定限度的偏离平衡位置时，人体重心降低，产生的重力矩使人体更加偏离平衡位置。（4 4）随遇平衡随遇平衡：物体在外力作用下偏离平衡位置，当外力撤除后，物体及不回到原来位置，也不继续偏离新位置，而是在新位置上保持平衡。其特点是偏离原来位置时，重心高度不变，不产生使物体位置移动的重力矩。1支撑面支撑面 支撑面是由各支点所包围的面积。支撑面也大，平衡的稳定性越好，因为只要物体重心的投影落在支撑面以内，平衡就能够保持，重心投影落在支撑面以外，平衡将被破坏。因此，支撑面越大，重心可以活动的范围大，即在较大的活动范围中可以保持平衡，支撑面越大平衡稳定性越好就是从这个意义上说的。（三）人体平衡的影响因素（三）人体平衡的影响因素人体平衡受支撑面，重心高度和体重的影响。第12页，此课件共20页哦3体重对平衡稳定性的影响体重对平衡稳定性的影响 体重影响着下支撑平衡的稳定性，体重的影响体现在重力矩的作用上，重力矩起着稳定力矩的作用，常用稳度系数表示体重在平衡中的作用：K K（稳度系数）（稳度系数）=M=M稳（稳定力矩）稳（稳定力矩）/M/M翻（翻到力矩）翻（翻到力矩）若若K1K1，平衡稳定；，平衡稳定；K=1 K=1，处于临界状态；，处于临界状态；K1 K1，平衡被破坏。，平衡被破坏。2稳定角稳定角 稳定角的概念表示支承面和重心高度对平衡的影响。稳定角是重力作用线和重心与支撑面相应边界连线之间的夹角。如图，稳定角越大，稳定性越好，稳定角决定了在该角度张开方向上的平衡稳定性。第13页，此课件共20页哦人体平衡除了受力学因素的影响外，还受生物学因素的影响，主要受以下因素影响：1 1人体不能绝对静止人体不能绝对静止由于呼吸活动和血液循环改变人体质量的分布而改变了重力的分布，使得人体总重心位置时刻发生变化，肌肉收缩时个肌群肌纤维投入和退出工作的非完全有秩序性，造成人体肌肉张力不能保持恒定。(四四)人体平衡的生物学因素人体平衡的生物学因素2人体有效支撑面小于支撑面人体有效支撑面小于支撑面 由于人体软组织和力量不太足的肌肉无力平衡负荷，所以翻倒线永远位于支撑面边界线之内，重力作用线未超越支撑面边界线时，人体就要提前倾倒。第14页，此课件共20页哦 3人体姿势的改变可以调节平衡人体姿势的改变可以调节平衡 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，可能恢复平衡。这种维持平衡和恢复平衡的动作，是一系列复杂的反射过程，通常是自动完成的。例如用右臂提起重物时，身体和身体重物的共同重心要右移，此时身体必然会向左倾斜，并将左臂引向一侧，从而使身体和重物的总重心移向左侧，以保持原来的平衡状态。人体的这种运动叫作补偿运动。当身体偏离平衡位置较远时，补偿运动也维持不了平衡，这时还可以通过改变支撑面来重新获得平衡，如落地动作，人体失去平衡前倾时，向前迈出一步，扩大支撑面而获得平衡。人体的这种特殊的恢复平衡的能力，因人而异，取决于人体的身体素质和运动技术水平。调节平衡的能力可以通过训练得以加强。4 4心理因素的影响心理因素的影响 在力学因素相同的情况下，人体实际平衡能力并不相同，例如在平衡木上走过，一般人都能够保持平衡，但是如果通过架在深渊上的独木桥时，就有可能失去平衡（假定独木桥与平衡木宽度相同）。其原因是视觉因素造成了心理紧张，从而造成收缩肌群无法协调工作，是人体失去平衡。所以心理因素对人体平衡有重要影响，平衡能力训练中，心理训练也是重要内容。第15页，此课件共20页哦1 1燕式平衡燕式平衡（图（图5-1-115-1-11）燕式平衡动作常见与体操、冰上运动和武术等项目中，它是以单足支撑，身体处于水平状态的平衡动作，按着力的分布状况属于一维力系。（图）（五）人体平衡动作的生物力学分析（五）人体平衡动作的生物力学分析（图（图5-1-11）第16页，此课件共20页哦受力分析受力分析：人体受重力G和地面对人体的作用力N，两个力沿着同一条作用线，此时人体平衡的条件为：Fx=N G=0Fx=N G=0，N=G.N=G.坐标系原点选在力的作用线上，力矩为零。稳定性能稳定性能：燕式平衡动作为单腿支撑，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，使身体重心由向前移动的趋势，可能使身体重心垂线超出支撑面而失去平衡。2吊环十字支撑吊环十字支撑（图（图5-1-12）十字支撑在吊环项目中是难度较高的动作之一，需要很大的臂力才能完成。要求两手深握吊环，两臂侧平展与躯干成直角姿势支持着身体。（图）按照力的分布状况属于共面力系（即二维力系）。受力分析受力分析：人体受重力G和吊环的作用力T1,T2 。人体平衡时满足下列条件：F=0 F=0，M=0 M=0，Fx=T2cos T1cos=0,Fx=T2cos T1cos=0,Fy=T2sin+T1sin-G=0,Fy=T2sin+T1sin-G=0,MA=2T1L sin-G L=0,MA=2T1L sin-G L=0,T1=T2=G/2sin.T1=T2=G/2sin.第17页，此课件共20页哦GAFT2FT1（图（图5-1-12）稳定性能稳定性能：根据平衡动作的分类，吊环十字支撑动作属于上支撑的稳定平衡，但由于身体的重力大，而且整个上肢的重力臂长，造成重力矩很大，必须有强大的肌肉里才能完成动作，因此该姿势是不稳定的，只能维持很短时间。第18页，此课件共20页哦 3 3体操桥体操桥（图（图5-1-135-1-13）在该动作中，力分布于三维空间，属于空间力系，人体与地面有三个支点，人体受到地面三个支持力及重力。受力分析：人体受重力G和地面的支持力N1 ，N2 ，N3 。平衡时满足下列条件：F=0 F=0，M=0 M=0，Fx=N1x+N2x+N3x=0,Fx=N1x+N2x+N3x=0,Fy=N1y+N2y+N3y=0,Fy=N1y+N2y+N3y=0,Fz=G-N1z-N2z-N3z=0,Fz=G-N1z-N2z-N3z=0,Mox=0,Mox=0,Mox=0,Mox=0,Mox=0.Mox=0.（图（图5-1-13）第19页，此课件共20页哦第20页，此课件共20页哦