2022年第五章__人体运动系统的生物力学.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 复习：一、人体生物力学材料的分类人体生物力学材料的力学性质是多种多样的,依据其性能可分为弹性材料、粘性材 料、塑性材料、粘弹性材料；弹性材料的特点：应力与应变成正比,材料能保证固 定的外形,在外力的作用下,外力功转变为弹性能；外力消逝或复原原状；如体育 器材中的撑杆粘性材料：应力取决于应变率,粘性流体无固定外形,流淌过程不行逆,在外力作用下,外力功转化为分子热消耗；如运动高强度粘性绷带,塑料材料：应力与应变成非线性,在外力作用下外力功转变为变形能,外力消逝后材料的变形不行修复；如我们体育器械手柄中的塑性材料粘弹性材料：假如有一种材料,其 力学性质既具有弹性材料的力学性质,又具有粘弹性材料的力学性质,那么这种材料就叫做粘弹性材料；如我们玩的碰碰车,属于粘弹性材料,仍有我们的血管、皮 肤、韧带等等人体材料也属于粘弹性材料；二、粘弹性材料的特点 1）当物体突然 发生应变时,如应变保持肯定,就相应的应力随时间的增加而下降,这种现象叫应 力放松,从而导致变形复原力（回弹应力）随时间逐步降低的现象；打包带变松、橡皮筋变松； ；2）如令应力保持肯定,物体的应变随时间的增加而增大,这种现 象叫蠕变（缓慢变形）水滴石川；3）对物体做周期性的加载和卸载,就加载时的 应力 -应变曲线同卸载时的应力-应变曲线不重合,这种现象称为滞后；三、骨载荷 的分类 1.依据载荷作用的性质,我们可以将载荷分为静载荷和动载荷 静载荷是逐步加于物体上的,由零逐步增至某一值以后不再转变,在这种载荷作用下,物体各部分不产生加速度或是加速度小得可以忽视不计；例如慢起倒立时,作 用在手臂上的载荷属于静载荷；动载荷是物体在载荷的作用下,它的某些部分或各部分所引起的加速度相当显著,这种载荷称为动载荷；动载荷又分为冲击载荷和交变载荷；如排球的扣球属于冲击载荷,长途行军属于交变载荷 2.骨骼受力的形式 :拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷 拉伸载荷是自骨的表面对外施加大小相等而方向相反的载荷,例如人体各种悬垂动 作时骨受到的载荷,骨在较大载荷的作用下会伸长同时变细；压缩载荷为加于骨表面的大小相等而方向相反的载荷；如举重时身体各部分受到的 压缩载荷,在日常的生活中,骨骼最常常承担的载荷是压缩载荷,前面讲过肯定的载荷能够刺激骨的生长,促进骨折的愈合；使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷；骨在弯曲时同时受到拉伸和压缩,拉 应力和应变作用于中性轴的一侧（凸侧面）,压应力和应变作用于另一侧凹侧面；而在中性轴上,没有应力和应变；剪切载荷作用时,载荷施加方向与骨表面平行或垂直,且在骨内部产生剪切应力和 剪应变；人的骨骼所能承担的剪切载荷比拉伸和压缩载荷都低；载荷加于骨上使其沿轴线产生扭曲时,即形成扭转；常见于人体或局部肢体做旋转 动作时骨骼所承担的绕纵轴的两个方向力矩的作用,例如投掷铁饼旋转时或投掷手榴弹的最终用力阶段,腿部骨承担的载荷；人体同时受到多种载荷的作用；活在人的日常生活中和体育运动中,骨干上的承载是复杂多变的,往往是多种载荷的复合；四、肌肉生物力学一、肌肉的力学特性 1.舒展性和弹性 肌肉在外力的作用下能被拉长的特性成为肌肉的舒展性,使肌肉舒展的外力除去后 又复原到原先长度的特性称为肌肉的弹性；2.粘滞性 肌肉的粘滞性是指肌肉收缩时,由于肌纤维内胶状物质分子间的摩擦及肌纤维彼此 间摩擦产生的阻力,使肌肉活动迟缓的特性；肌肉粘滞性与温度的变化有关,温度低粘滞性增大；温度上升,粘滞性降低；所 以在运动之前,需要做预备活动,使体温上升,削减肌肉粘滞性产生的阻力,以加名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 快肌肉收缩速度,提高肌肉工作才能和预防肌肉的拉伤；3.肌肉的放松 被拉长的肌肉,其张力有随时间的延长而下降的特性,这一特性称肌肉放松；二、肌肉结构的力学模型 收缩元：兴奋时产生张力,称为主动张力；并联弹性元：当被动牵拉时产生弹力,称为被动张力；串联弹性：当收缩元兴奋后,使肌肉具有弹性；（因此我们将整块肌肉认为是由很多个模型的串联和并联组成,模型的串联构成肌 肉的长度,模型的并联构成肌肉的厚度；肌肉生理的横断面积的增加会导致肌肉收缩力气的 ）；增加三、肌肉收缩的形式 1.等长收缩 肌肉产生的张力不足以克服肯定阻力使身体某一部分发生移动,而肌肉长度保持不变,便可认为肌肉在进行等长收缩；肌肉的阻力臂与动力臂相等,肌肉作等长收缩；如前面我们讲过的环枕关节；2.向心收缩 向心收缩也称克制性收缩,当肌肉产生的张力足以克服阻力,使肌肉明显缩短,其 环节的运动方向与肌肉收缩方向一样时,认为肌肉在进行向心收缩；例如,把一杯 水从桌上端起,举上嘴边时,肱二头肌便发生向心收缩；在这个情形下,阻力是前 臂、杯子和水的重量；动力臂大于阻力臂,肌肉作向心收缩；如前面讲的提踵关节；3.离心收缩肯定的阻力克服肌肉张力致使肌肉被拉长,既阻力距大于肌力距,其 环节的运动方向与肌肉收缩方向相反,认为是向心收缩,也称为退让性收缩；第五 节 关节生物力学关节是人体运动的枢纽,骨杠杆活动的支点；其基本功能是传递力和保证人体各部 分间的敏捷运动；关节包括关节面、关节软骨、关节腔和关节囊；因此,讨论关节 结构及机能的生物力学特性对于指导体育教学与训练和防治运动损耗具有重要的意 义；一、人体关节的相关概念关节：骨与骨以结缔组织相连结构成关节；依据连结组织的性质和活动情形,关节可分为不动关节（韧带联合、软骨结合和骨性结合）、动关节（肩、肘、腕、髋、膝、踝关节）和半关节（耻骨联合）；环节：是指能绕关节运动轴进行运动的人体的某一部分（头、躯干、上肢、下肢）或肢体的某一 部分（上臂、下臂、手、大腿）转动；关节角：构成关节的两环节之间的夹角称为关节角；二、关节的运动学 1.关节的基本运动形式 关节是骨骼肌系统中骨与骨之间的功能性连接；人体中不同部位骨的外形各异,致使各关节的结构与功能不尽相同,其运动形式复杂多变；但各关节的基本运动形式 可以归纳为角运动和旋转运动； 1 角度运动 邻近两骨间产生角度转变的相对转动,称为角度运动；通常有屈、伸和收、展两种 运动外形；关节绕额状轴转动时,同一关节的两骨相互接近,角度减小时谓之屈,反之谓之伸；关节绕矢状轴转动时,骨的末端向正中面靠近的谓之内收,远离正中 面的谓之外展； 2 旋转运动 骨绕垂直轴的运动称为旋转运动,由前向内的旋转称为旋内,由前向外的旋转称之 旋外； 2.关节运动幅度及测量方法 关节运动幅度是指运动环节环绕某运动轴进行转动的极限活动范畴,通常关节幅度 用角度来表示； （1）影响关节运动幅度的因素：1）构成关节的两关节面弧度差：两关节面的弧度差越大,关节的运动弧度就越大；2）关节四周软组织的结构和力学特性：当构成关节两关节面弧度差肯定,影响 关节运动幅度的主要因素有关节四周的韧带、筋膜、关节囊和肌肉等；一般关节囊 薄而放松,韧带和筋膜少而弱,肌肉舒展性和弹性好,肌肉长度长,关节运动幅度 越大,反之亦然； 2关节运动幅度的测量方法 关节运动幅度的测量是对人体运动动作进行运动学分析的重要内容；目前测量关节运动幅度的常用方法有：摄影测量、录像测量、x 光摄影测量、关节测量器测量、电子关节角度仪测量；比如关节测量仪和电子关节名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 角度测量仪； 3.关节的敏捷性和稳固性 敏捷性和稳固性是关节功能同时存在的两个方面；关节具有敏捷性以便于人体适应 于各种敏捷运动；关节的稳固性以保证人体在运动中保护动态平稳,使关节在复杂 多变的运动过程中处于合理的工作状态,免受损害；因此分析影响关节敏捷性和稳 固性的因素也是本学科讨论的重要内容；（1）影响关节敏捷性的因素：从关节的 结构力学特性分析,关节面软骨、关节腔、关节腔内的滑液、滑膜皱襞、粘液囊等 因素有利于关节的敏捷性；关节内滑液对保护关节的敏捷性和缓冲作用的微妙功能；当外力的作用时间是 1/100s左右时,关节液是同时具有流淌性和弹性的粘弹液,能够缓冲骨与骨之间的 碰撞；大于 1/100s 时他就像液体一样流变,使关节动作敏捷；假如外力的作用时间达到 1/1000s 左右时,不在表现为液体了,而表现出坚强的固体了,对于碰撞的冲力不能起缓冲 作用；打球时手指常挫伤就是这个缘由；（2）保护关节稳固性的因素：保护关节 稳固性的因素有骨骼、肌肉、韧带、关节囊、关节软骨和关节腔内的负压等；其中,骨骼、韧带和肌肉在保护关节稳固性方面作用更为突出；骨骼打算了构成相应关节面是否吻合,如髋关节是由骨四头关节面与髋臼关节面构成的杵臼关节,相吻合的关节面较大,所以此种关节稳固性较大；韧带作为关节的帮助装置,总是在肯定的方向上制约关节的运动,以使关节的活动保持在正常的生理范畴内；例如膝关节的十字韧带在伸直拉紧时,防止胫骨的前移；肌肉作为骨杠杆中的动力,又在运动中通过对抗、协同、抗击重力等形式保护关节 的稳固,简言之,骨骼和韧带保护关节稳固和平稳的作用为静力平稳,而肌肉保护关节稳固和平稳的作用为动力平稳,而关节保护静力平稳是保证肌肉保护关节动力 平稳的基础； 4.人体主要关节 1）肩关节简介 由肱骨头与肩胛骨的关节盂构成,是典型的球窝关节；关节盂小而浅,边缘附有盂 唇；关节囊薄而放松,囊内有肱二头肌长头腱通过；关节囊外有喙肱韧带、喙肩韧带及肌腱加强其稳固性,唯有囊下部无韧带和肌加强,最为薄弱,故肩 .亟谕盐皇 保 殴峭烦酉虏客殉觯 严蚯跋路健 .肩关节的运动幅度 肩关节位于上臂至躯干的位置,活动的方式有外摆 180°,内摆 30°,上摆 180°,下 摆45°,前摆 140°,后摆 40°； 2）肘关节简介 肘关节：由肱骨下端和尺骨、桡骨上端构成,包括三个关节,即肱尺关节、肱桡关 节和桡尺近侧关节；可做前屈、后伸运动,也参加前臂的旋前和旋后运动；肘关节的运动幅度 肘关节位于上臂至下臂之间,肘关节的肱尺关节沿额状轴作前臂的屈伸运动和前臂的内旋和外旋,运动的幅度在 0°-145 °之间,是人体重要的关节之一；如前臂屈、前臂伸、前臂外旋和前臂内旋； 3）腕关节简介 腕关节：又称桡腕关节,是典型的椭圆关节,由手的舟骨、月骨和三角骨的近侧关节面作为关节头,桡骨的腕关节面和尺骨头下方的关节盘作为关节窝而构成；腕关 节的运动幅度 腕关节又称桡腕关节,位于手至前臂之间,可作屈、伸、展、收及环转运动,其中 伸的幅度比屈的小,腕关节可外摆 30 °,内摆 20 °,弯曲 75 °,舒展 60°；如手外展、内收、手屈和手伸； 4）髋关节 髋关节：由股骨头与髋臼相对构成,属于球窝关节；髋臼内仅月状面被覆关节软骨,髋臼窝内布满脂肪,可随关节内压的增减而被挤出或吸入,以保护关节内压的平 衡；髋关节的运动幅度：名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 髋关节位于上臂和躯干之间,是人体中最重要的关节,可外转 110°左右,内转可达 到70°左右；如散打中的踹腿,就为内转,而足球中的点球中属于髋关节的外展；5）膝关节 膝关节由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成的双关节结构,为人体最 大且构造最复杂,损耗机会亦较多的关节；膝关节的运动幅度：膝关节位于小腿和大腿之间,膝关节可作屈伸、内旋和外旋,从完全伸直到完全屈 曲幅度为 0°-140°,膝外旋幅度从 0°-45°,内旋幅度可从 0°-30°左右；如大腿屈伸,小腿屈伸； 6）踝关节 踝关节：由胫、腓骨下端的关节面与距骨滑车构成,又称距骨小腿关节；胫骨的下关节面及内、外踝关节面共同作形成 冂 形的关节窝,容纳距骨滑车；踝关节的运动幅度 踝关节位于小腿的下方,踝关节的运动幅度较小,在矢状面上的总活动幅度约为 45°,背屈 10 °-20 °,跖屈为 25 °-35 °；如足屈,足伸,足内翻和外翻；7）脊柱简介 脊柱对人体的运动和姿势的保持都起着打算性的作用 .脊柱系统的构造复杂其主体 是椎骨、椎骨关节、椎骨间的椎间盘、以及前、后纵韧带 .所以脊柱可以看作是一 个多关节的联合系统 .脊柱的运动幅度 脊柱位于头和下肢之间,脊柱能做屈、伸和旋转,但幅度较小；胸脊柱上段的旋转 度最大为 9°,向下幅度逐步削减,到下腰段仅为 2°,但在腰骶段为 3°,其它腰段为 6°；二、关节动力学 人体在运动过程中,由于动作形式的复杂多变而使关节的受力特别复杂；一般作用 在关节上的力有体重、外加载荷、地面支撑反作用力、肌肉及韧带的力、惯性力等；体重、外加载荷和地面支撑反作用力可以测定；第六节身体环节的连结在机械原理中,把能做相对运动的相邻两个构件的联结称运动偶；相连运动偶的联结称为运动链；因此可以将相邻两个环节（骨）通过关节的联结,叫做人体运动偶,相邻运动偶的联结称为人体运动链；在机械原理中,运动偶有平动偶、转动偶、螺旋偶；人体中绝大部分是转动偶,螺旋偶仅在踝关节处,无平动偶；一、人体运动偶及运动链 在机械原理中运动偶的活动取决于他们的连结方式,活动可能性是预先规定好了的；在人体中运动偶的连结方式并不能完全打算其活动及活动可能性；如运动的方向 及幅度可由其配置的肌肉随便掌握和调剂；人体运动链有开放式和闭合式：1）开放运动链末端呈游离状态,它的某一关节固 定,其余各关节产生运动,称为开放式运动链；如肩关节固定,可以在肘关节和腕关节同时产生活动,也可单独发生运动；2）假如运动链首尾相连,形成闭合状态,末端无游离的环节,称为闭合运动链；闭锁运动链一端解开时,可以变为开放运动链；闭锁运动链一环节的运动会引起另一环节的运动,屈膝两腿成弓箭步,左右两侧的髋关节也会产生相应运动；人体胸廓的肋同脊柱和胸骨结合,是典型的闭锁运动链；当身体各游离末端一旦有支撑点或握点时,将由开放运动链转为闭锁运动链,在体育运动中是常见的；在开放运动链中,相当多的关节配有多关节肌；因此,这些肌肉收缩使一个关节活 动,可同时引起另一个关节活动,使运动链的活动复杂化；假如需要精确掌握活动,往往通过一些肌肉的工作以“关掉”另一个关节的活动,克服此种复杂的联系；但是,在闭锁运动链中这种联系是不行克服的,并且某一关节肌肉收缩的效应会影响 到每一个环节；二、运动的约束及自由度 人体有动骨 148,有三个自由度的关节 29 个,有两个自由度的关节 33 个,一个自由度的关节 85 个；其中上肢和下肢各有 30 个自由度；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 假如物体不受任何限制约束,它可以在三度空间运动,也既是相对于三个相互垂直轴的平动及绕三个轴的转动；因此,这样的物体共有六个白由度 物体有约束时其运动自由度削减,当把物体某一点固定时,其自由度为三个,这时 不能产生平动,只能以三个坐标轴为轴发生转动（可把原点放在固定点）；当物体的某两点固定时,只有一个自由度,既以两点的连线为轴的转动；当物体上任意三点固定时,就自由度为零,不产生任何方向的平动和转动；一般的说物体没有两个自由度的情形,但由于人体运动器官有双轴关节（鞍状关节和椭圆关节）,因此存在两个自由度的情形,即使单轴关节的自由度也大于一；这 是由于在人体的关节结构中,由于两关节面彼此显著不相吻合,它们之间存在一个间隙,它们之间存在一个间隙,可在两个方向上作钟摆式运动；但肌肉活动的掌握 对关节起附加约束作用,所以可以使它们仍是一个自由度；多轴关节如髋关节的运动偶能有多个自由度,产生复杂的活动；但通过肌肉的不同 活动方式,可以按预先要求完成相应的活动；因此多轴关节,有多个自由度的运动 偶的活动时,必需预先挑选和确定动作路线；依据动作路线掌握动作方向、速度、动作幅度；随时修正离开预定路线的偏差,在人体大部分关节中运动都属于转动性质；但由于关节面的外形,通常不法规章几何形因而在关节中通常不止一个转动抽,而是有很多瞬时相互更替的转动轴；所以 在运动生物力学中所讲的关节轴,不是指精确的几何轴,而是指运动自由度；例如,属于球窝关节的髋关节有三个轴,这应懂得为大腿；相对于骨盆有三个自由度；除明白剖学中提到的,人体三个基本轴和面外,有些活动同时环绕两个甚至三个基 本轴进行,即绕所谓中间轴运动,环节纵轴在锥形面内运动篮球跳投技术的实例分22析：一、人体运动链分析1）在上肢的投篮动作中,肩关节有 3 个自由度、肘关节和腕关节各有 2 个自由度,这三关节以肩为支点构成一个开放性的生物运动链；如臂在肩关节固定时,可以在肘关节、腕关节或者单独发生运动；2）下肢起跳落地瞬时,下肢运动链由开放链变成封闭链；以地面为固定支撑点,各环节动点绕骨关节定点骨相对运动；二、制动缓冲阶段的肌肉力学分析关节及其运动 参加的肌肉 肌肉工作的条件肌肉工作的性质髋关节 臀大肌股后肌群 远侧支撑 离心收缩膝关节 股四头肌远侧支撑 离心收缩踝关节 小腿三头肌 远侧支撑离心收缩制动缓冲阶段的运动学分析 1）制动缓冲阶段人体重心高度的变化情形；）制动缓冲阶段的连续时间、开头缓冲的瞬时、最终缓冲的瞬时；3）制动缓冲阶段人体髋、膝、踝关节运动幅度、缓冲角度以及角速度的变化情形；制动缓冲阶段的动力学分析 1）制动缓冲阶段髋、膝、踝关节的整体受力情形分析,以及缓冲阶段最大力值和最小力值显现的时间特点；2）制动缓冲阶段人体下肢做功功率的变化情形；三、起跳蹬地阶段的肌肉力学分析关节及其运动参加的肌肉肌肉工作的条件 肌肉工作的性质髋关节伸臀大肌股后肌群 远侧支撑向心收缩膝关节伸 股四头肌 远侧支撑 向心收缩踝关节屈 小腿三头肌 远侧支撑向心收缩起跳蹬地阶段的运动学分析 1）起跳蹬地阶段人体重心高度的变化情形；）起跳蹬地阶段的时间特点、开头蹬地的瞬时、离地时的瞬时；3）起跳蹬地阶段人体髋、膝、踝关节运动幅度、缓冲角度以及角速度的变化情形；4）起跳阶段球与人体肩关节的角度,举球的幅度及举球的速度；起跳蹬地阶段的动力学分析 1）起跳蹬地阶段髋、膝、踝关节的整体受力特点,以及蹬地阶段最大力值和最小力值显现的时间特点； 2）起跳蹬地阶段人体受到地面反作用力的特点分析、人体下肢受到的冲量特点以及下肢做功的功率特点；四、腾空阶段投篮肌肉力学分析关节及其运动 参加的肌肉 工作的条件 工作的性质肩胛骨上回旋斜方肌肩胛骨提肌近侧支撑 向心收缩肩关节屈胸大肌三角肌 近侧支撑 向心收缩肘关节伸名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 肱三头肌肘肌 近侧支撑 向心收缩手关节屈 屈腕肌群 近侧支撑向心收缩腾空阶段的运动学分析 1）腾空投篮阶段的时间特点、身体升至最高点的瞬时、投篮出手的瞬时；2）腾空投篮阶段人体重心的整体变化情形以及出手瞬时人体重心的高度； 3）腾空投篮阶段人体肩、肘、腕关节运动幅度、出手的角度和出手的速度特点；腾空阶段的动力学分析 1）腾空投篮阶段人体上臂、前臂、手的受力分析以及出手的瞬时力气特点；2）腾空投篮阶段中人体动量及动量矩的变化特点； 3）腾空投篮阶段人体做功功率变化特点；五、人体关节活动的原理大关节第一产生活动的原理：髋关节 膝关节 踝关节 肩关节 肘关节 腕关节小关节活动的重要性：名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 6 页