運(yùn)動生物力學(xué)_人體運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)

1、 一、人體的簡化 人體極為復(fù)雜，而人體的運(yùn)動更為復(fù)雜，因此必須有條件把人體簡化才能進(jìn)行研究，這樣便為分析人體動作提供方便。 （一） 質(zhì)點(diǎn)(只有質(zhì)量而沒有形狀大小) 1只涉及人體平動，不考慮人體轉(zhuǎn)動和變形，可簡化為質(zhì)點(diǎn)。 2可把人體或器械的重心看做質(zhì)點(diǎn)。 （二） 剛體(既考慮物體的質(zhì)量又考慮物體的形狀和大小) （三） 人體簡化為物理模型的實(shí)用性和局限性 將人體簡化為物理模型進(jìn)行力學(xué)研究，這對學(xué)習(xí)研究帶來很大方便，并且可以取得定量數(shù)據(jù)和資料進(jìn)行分析，可以幫助我們認(rèn)識一些問題和規(guī)律。然而復(fù)雜人體簡化為質(zhì)點(diǎn)或剛體后，所得到的數(shù)據(jù)與材料反饋到人體應(yīng)用時(shí)還存在著較大的差距，為此需建立實(shí)體模型。 人體是一個(gè)

2、復(fù)雜的開放的巨系統(tǒng)。正確地反映出對人體運(yùn)動時(shí)起主要作用的力學(xué)因素，建立人體的實(shí)體模型，是運(yùn)動生物力學(xué)研究的方向。同一個(gè)實(shí)際對象，在研究不同物理現(xiàn)象時(shí)，很可能用不同模型代替。 目前體育動作研究工作的第一步“各因素關(guān)系”，對某些動作在這方面研究已積累了一些材料，但很多動作還未進(jìn)行研究，故此建立人體實(shí)體模型將是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，我們在座的各位作為未來的體育工作者應(yīng)朝著這個(gè)方向努力，在運(yùn)動生物力學(xué)領(lǐng)域中有所建樹。 一、運(yùn)動的絕對性和描述運(yùn)動的相對性 （一）運(yùn)動的絕對性 自然界一切物質(zhì)都是永恒地運(yùn)動著、變化著，所有自然現(xiàn)象是物質(zhì)運(yùn)動的各種形式。從這種意義上來說運(yùn)動是絕對的。 （二）運(yùn)動的相對性 運(yùn)動生物力

3、學(xué)就是機(jī)械運(yùn)動，即物體隨時(shí)間變化而導(dǎo)致空間的位移，是物質(zhì)運(yùn)動最基本的形式。 參照系又稱參考系，是指描述人體是否運(yùn)動時(shí)，所選定的作為參考標(biāo)準(zhǔn)的物體或物體群。根據(jù)研究問題的性質(zhì)和方法的不同，可分為兩類不同的參考系： （一）慣性參考系 慣性參考系是指以地球或相對于地球靜止不動的物體、或作勻速直線運(yùn)動的物體作為參考系，通常又稱為靜參考系。 （二） 非慣性參考系 非慣性參考系是指以相對于地球作變速運(yùn)動的物體，或者說以相對慣性參考系做加速運(yùn)動的物體作為參考系，通常又稱為動參考系。 如； 在研究短跑運(yùn)動中的擺臂動作時(shí)，以人體重心作為參考系，看臂隨時(shí)間相對于人體重心的位置的改變。因?yàn)樵谕瓿审w育動作時(shí)，人體軀干

4、或身體重心的位置是不斷改變的，因此他們屬于非慣性參考系。 雖然參考系能描述物體隨時(shí)間變化的位置的改變，但參考系只是定性地表明人體或器械是處于靜止或運(yùn)動狀態(tài)，卻不能對物體或器械進(jìn)行定量的描述。因此必須引進(jìn)一個(gè)精確的描述物體運(yùn)動位置變化的方法。 坐標(biāo)系是指設(shè)置在參考系上的數(shù)軸，是參考系的數(shù)學(xué)抽象。它在性質(zhì)上起著參考系的作用，而在數(shù)量上又能精確描述。它的三要素是：參照原點(diǎn)、參照方向、參照單位。 （一） 一維坐標(biāo)系 （二） 二維坐標(biāo)系（又稱平面坐標(biāo)系） （三） 三維坐標(biāo)（ 空間坐標(biāo)系 ） 1描述整體運(yùn)動原點(diǎn)在起點(diǎn) 2環(huán)節(jié)相對重心的運(yùn)動原點(diǎn)在重心 3環(huán)節(jié)相對關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動原點(diǎn)在關(guān)節(jié) 4勻速直線運(yùn)動的原點(diǎn)在

5、起點(diǎn)或支撐點(diǎn) 5繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動的原點(diǎn)在定點(diǎn) 一、人體運(yùn)動的分類 把人體簡化為質(zhì)點(diǎn)，可將人體運(yùn)動分為直線運(yùn)動和曲線運(yùn)動；如把人體簡化為剛體，可將人體運(yùn)動分為平動、轉(zhuǎn)動和復(fù)合運(yùn)動。 變速直線運(yùn)動：在任意相等時(shí)間內(nèi)通過的路程并不都相等。 勻變速直線運(yùn)動：當(dāng)人體沿任意相等的時(shí)間內(nèi)，速度變化量都相等。 自由落體的公式為： 1Vt=gt 2 H=1/2gt 3 Vt=2GH1/2 豎直上拋運(yùn)動的公式： 1 t= V0/g； 2H=V20/2g。 平動：人體內(nèi)任意兩點(diǎn)的連線，在運(yùn)動過程中始終保持平行。例如，滑冰運(yùn)動員凳冰后在直線上依慣性滑行，即為直線運(yùn)動。 轉(zhuǎn)動：人體內(nèi)的各點(diǎn)都繞同一軸線（轉(zhuǎn)軸）作圓周運(yùn)動。如投

6、擲鐵餅的旋轉(zhuǎn)動作。 復(fù)合運(yùn)動：既有平動又有轉(zhuǎn)動的運(yùn)動。如走、跑、滑冰、滑雪都是一種復(fù)合運(yùn)動，在研究中通常將復(fù)合運(yùn)動分解為平動和轉(zhuǎn)動兩部分分別進(jìn)行討論，然后加以綜合，以達(dá)到簡化的。 （一）空間特征 空間特征是表明人體在運(yùn)動時(shí)的空間位置以及描述人體運(yùn)動的范圍，包括路程和位移。路程是指人體從一個(gè)位置移到另一個(gè)位置時(shí)的實(shí)際運(yùn)動路線的長度，它是一個(gè)標(biāo)量，只有大小，沒有方向。位移是指人體運(yùn)動的起始點(diǎn)到終止點(diǎn)的直線距離，它是一個(gè)矢量，既有大小又有方向。 1、直線運(yùn)動的位移和路程 在直線運(yùn)動中，路程數(shù)值的大小等于位移數(shù)值的大小。例如，100m從起點(diǎn)跑到終點(diǎn)，其位移大小與路程大小是相等的。 在曲線運(yùn)動中，位移數(shù)

7、值的大小并不等于路程數(shù)值的大小，一般小于路程。例如從起點(diǎn)繞400m田徑場內(nèi)跑一圈，經(jīng)過的路程為400m，而位移則等于零。跑200m內(nèi)道時(shí)，路程為200m，位移則為112.13m。 按三角形法則或平行四邊形法則合成。 1時(shí)刻 時(shí)刻是人體或器械空間位置的時(shí)間量度，是時(shí)間上是一個(gè)點(diǎn)，它用于運(yùn)動的開始、結(jié)束和運(yùn)動過程中許多重要位相的瞬時(shí)。 例如,足蹬離起跑器時(shí)，表示蹬起跑器結(jié)束瞬時(shí)；跳高、跳遠(yuǎn)起跳時(shí)，表示足離地面的瞬時(shí)等。 時(shí)間是運(yùn)動結(jié)束時(shí)時(shí)刻與開始時(shí)刻之差值，運(yùn)動持續(xù)時(shí)間是運(yùn)動始末兩個(gè)時(shí)刻之間的時(shí)間間隔。 例如，擊打棒球、乒乓球時(shí)，雖然時(shí)間很短，但此時(shí)擊球的時(shí)間為t=t1-t0 1速度 速度是指人體

8、所經(jīng)過的位移與通過這段位移所用時(shí)間之比，是描述人體運(yùn)動快慢的物理量。在直線運(yùn)動中為V=S/t，在曲線運(yùn)動中V=r2-r1/t2-t1=r/t。 速率是指人體運(yùn)動所經(jīng)過的路程與通過這段路程所用的時(shí)間之比，是描述人體運(yùn)動快慢程度的物理量，只有大小，不表明方向。 1瞬時(shí)性 2矢量性 3相對性 4獨(dú)立性 一、平均速度和瞬時(shí)速度 （一）平均速度 在變速直線運(yùn)動中，人體的位移與這段位移所需時(shí)間之比，稱人體在這段時(shí)間內(nèi)（或這段位移）的平均速度。 （二）瞬時(shí)速度 人體在某一時(shí)刻或通過運(yùn)動軌跡某一點(diǎn)時(shí)的人體在這一時(shí)刻或這個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)速度。 （一）平均加速度 人體運(yùn)動的速度變化量與這種變化所用的時(shí)間之比稱加速度。即

9、a=V/t。 （二）瞬時(shí)加速度 瞬時(shí)加速度是小指人體運(yùn)動在某一時(shí)刻或某一位置的加速度，當(dāng)t趨于零（t不等于零）的極限值，人體的平均加速動即為瞬時(shí)加速度加速度。 1法向加速度（向心加速度） 人體作勻速圓周運(yùn)動時(shí)沿切線方向的加速度，其公式為a=V2/R. 2變速圓周運(yùn)動中的法向加速度和切向加速度 變速圓周運(yùn)動是指物體運(yùn)動不斷變化的圓周運(yùn)動。A=at+an。 （一）運(yùn)動的獨(dú)立性原理 人體或物體同時(shí)參與幾個(gè)運(yùn)動(分運(yùn)動)，則每一個(gè)運(yùn)動不受其他分運(yùn)動的影響，人體或物體的運(yùn)動是由各個(gè)彼此獨(dú)立進(jìn)行的運(yùn)動疊加原理。 （1） 絕對速度：研究對象相對于靜參考系的速度稱絕對速度（Va）。 (2) 相對速度：研究對象

10、相對于動參考系的速度稱相對速度（Ve） (3)牽連速度：動參考系原點(diǎn)相對于靜參考系的速度稱牽連速度（VT） 其三者的關(guān)系是Va=Ve+ VT。（舉例說明） 運(yùn)動學(xué)參數(shù)包括位移、角位移、速度、角速度、加速度、角加速度等。 主要測量方法有：平面定點(diǎn)定機(jī)攝影法、平面定點(diǎn)跟蹤攝影法、平面定軌跟蹤攝影法、立體定點(diǎn)定機(jī)攝影法、立體定點(diǎn)定跟蹤攝影法等。 1、攝像機(jī)的選擇 拍攝頻率：單位時(shí)間內(nèi)所拍攝的畫面數(shù)稱拍攝頻率。 1、根據(jù)項(xiàng)目特征和技術(shù)分析要求確定拍攝范圍； 2、把攝像機(jī)固定在三角架上，對攝像機(jī)的拍攝距離、機(jī)高、取景范圍、焦距等按要求選用合適并固定； 3、拍攝比例尺； 4、拍攝所選定的運(yùn)動動作，并做好記

11、錄。 1、攝像機(jī)主光軸應(yīng)與運(yùn)動平面垂直，對準(zhǔn)拍攝區(qū)域的中心。 2、攝像機(jī)盡可能遠(yuǎn)離運(yùn)動平面，通常拍攝距離應(yīng)為拍攝范圍的5-6倍。 3、背景顏色應(yīng)與人體顏色有較大的反差，使圖像較清晰。 4、正確確定拍攝速度。 5、正式拍攝前，需拍攝比例尺。 6、拍攝時(shí)要做好備忘錄，如運(yùn)動員參數(shù)、成績、比例尺長度、拍攝距離、機(jī)高等。一、圖像解析 1、將拍攝在錄像帶上的圖像轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可讀的數(shù)字化圖像文件。 2、解析比例尺確定圖形尺寸與實(shí)際尺寸之間的比例系數(shù)。 3、利用圖像解析軟件確定人體各關(guān)節(jié)點(diǎn)的像空間坐標(biāo)。 4、將人體各關(guān)節(jié)點(diǎn)的像空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為真實(shí)空間中的坐標(biāo)以及建立原始數(shù)據(jù)文件。 二、數(shù)據(jù)處理 1、數(shù)據(jù)平滑

12、2、數(shù)據(jù)分析 由已知兩個(gè)或幾個(gè)分運(yùn)動的速度（分運(yùn)動）求合運(yùn)動的速度（合速度），稱求速度的合成。 第一、 當(dāng)兩個(gè)運(yùn)動速度方向一致而且平行時(shí)，則合速度為：V=v1+v2 第二、當(dāng)兩個(gè)運(yùn)動速度方向互成直角時(shí)，則合速度大小為V=(V21+V22)1/2 第三、當(dāng)兩個(gè)運(yùn)動速度方向不成直角，而成銳角，則合速度為V=(V21+V22+2V1V2cos)1/2。 由已知合速度求兩個(gè)（或幾個(gè)）分速度，稱為速度的分解。速度分解也是按平行四邊形法則進(jìn)行，即以合速度為對角線畫平行四邊形，求出分速度。 在任一瞬時(shí)，運(yùn)動物體的絕對加速度（aa）等于運(yùn)動物體牽連加速度（ae）與相對加速度（at）的矢量和。在運(yùn)動為平動時(shí)的加

13、速度合成定理：aa= ae+at 當(dāng)牽連速度不是平動時(shí)的加速度合成時(shí)其絕對加速度表達(dá)式為： aa= ae+at+ac(ac為科里奧利加速度。)。 一、角位移 對人體而言，人體各點(diǎn)的半徑在相同的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過相同的角度。它是標(biāo)量 。 （一）角速度 角速度是指人體在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度，用表示。平均角速度僅僅表示一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動的快慢和轉(zhuǎn)向。 （二）角加速度 角加速度用以表示物體轉(zhuǎn)動時(shí)角速度變化的快慢和指向，是轉(zhuǎn)動中角速度的時(shí)間變化率。轉(zhuǎn)動物體在某一時(shí)刻t1角速度為1，在時(shí)刻t2，角速度為2，在t時(shí)間內(nèi)，角速度的變化為， 則=2-1/ t2- t1 1、線速度 人體繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)，人體某一點(diǎn)的速度。如：人

14、體繞單杠轉(zhuǎn)動時(shí)，人體重心的運(yùn)動速度即為線速度。其公式為V=R. 2、角速度是從整體上描述轉(zhuǎn)動物體轉(zhuǎn)動的快慢，而用線速度則具體考察轉(zhuǎn)動物體上某點(diǎn)的轉(zhuǎn)動快慢。 在運(yùn)動實(shí)踐中，可以通過提高肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角速度和伸直整個(gè)上肢以加大轉(zhuǎn)動半徑的方法來提高轉(zhuǎn)動環(huán)節(jié)遠(yuǎn)端（手）的線速度。例如，排球扣球動作，先是屈臂在肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動以提高角速度1，在扣球前，肘關(guān)節(jié)伸直，提高肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角速度2，同時(shí)又增長了以肩關(guān)節(jié)為軸的轉(zhuǎn)動半徑，提高手運(yùn)動的線速度，擊球迅速（時(shí)間短），則擊球所受之力極大。 1肌拉力角小，反映了該肌肉在收縮前被拉長，提高了肌肉的興奮性，使肌肉收縮時(shí)增大了肌肉的收縮力。 2肌力提高有利于肌力矩加大，促進(jìn)角

15、速度、角加速度的增大。 3轉(zhuǎn)動物體角速度、角加速度的增大，又能增大轉(zhuǎn)動物體遠(yuǎn)端的線速度。 一、平拋運(yùn)動與斜拋運(yùn)動 平拋運(yùn)動：若將桌面的小球水平地?fù)舫觯∏螂x開桌面以后將沿曲線運(yùn)動.。 斜拋運(yùn)動：可以看作是物體由于慣性斜向上（下）方向做勻速直線運(yùn)動和豎直方向做自由落體運(yùn)動的合成。 由公式s=v022sin2/g可看出，影響拋射體遠(yuǎn)度的因素有： 1V0是起跳離地瞬間人體重心的初速度。 2是起跳離地瞬間人體重心的初速度與水平面的夾角。 3 H是起跳離地瞬間人體重心與地面的垂直距離（與人體的身高、動作技術(shù)結(jié)構(gòu)有關(guān)）。 4最適合的起跳角度是18-23度、鉛球的出手角度為38-42度。 其公式為H=v20sin2a/2g 1V0起跳離地瞬間人體重心的初速度。 2.起跳離地