運(yùn)動生物力學(xué)應(yīng)用人體平衡2

人體平衡的生物力學(xué)分析

第五章運(yùn)動生物力學(xué)應(yīng)用

第一節(jié)內(nèi)容提要一、人體平衡概述1二、人體平衡的力學(xué)原理2三、影響人體平衡的因素3四、人體平衡的生物力學(xué)分析舉例4一、人體平衡概述（一）人體重心的概念

物體的重心是物體所受重力的合力作用點，人體的重心也就是人體所受重力的合力作用點。意義：評定一個體育動作完成的質(zhì)量，分析其技術(shù)特征以及糾正錯誤動作等，都需要根據(jù)運(yùn)動時人體重心的變化規(guī)律。特別是分析靜力性動作，判定平衡的穩(wěn)定性及分析動作的合理性時，必須從人體重心相對于支撐面的位置來確定。一般物體的重心比較恒定，而人體重心是變化的。人體重心變化不僅在一段時間內(nèi)，要受肌肉和脂肪的增長或消退等因素的影響，即使在每一瞬間，也要受到呼吸、消化和血液循環(huán)等因素的影響，特別是在運(yùn)動中，要受到人體姿勢變化的影響，隨著姿勢的改變而改變，有時甚至能夠移出體外。（二）人體平衡的分類

1.根據(jù)支點相對于人體重心的位置不同，將人體平衡分為以下3種：

（1）上支撐平衡：

當(dāng)人體處于平衡，且支點在人體重心的上方。

如體操中的各種懸垂動作。

（2）下支撐平衡：當(dāng)人體處于平衡，支點在人體重心的下方。例如，站立、平衡木上的平衡動作及田徑、游泳、舉重等各類平衡動作。（3）混合支撐平衡：是一種多支撐點的平衡狀態(tài)，有的支撐點在人體重心上方，有的支撐點在人體重心的下方。例如，肋木側(cè)身平衡。

根據(jù)平衡的穩(wěn)定程度把人體平衡分為4種：（1）穩(wěn)定平衡：其特點是當(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，回到平衡位置后，合力為零，合力矩為零。（2）不穩(wěn)定平衡：其特點是偏離平衡位置時，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)。（3）有限度的穩(wěn)定平衡：其特點是在一定限度內(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，但超出某一定限度的偏離平衡位置時，人體重心降低，產(chǎn)生的重力矩使人體更加偏離平衡位置。（4）隨遇平衡：其特點是偏離原來位置時，重心高度不變，不產(chǎn)生使物體位置移動的重力矩。5.力的可傳性原理力可沿其作用線任意移動，而不改變其對物體的效應(yīng)。二、人體平衡的力學(xué)原理6.力的平移定理（1）力矩、力偶矩力矩為力與力臂的乘積。如力對于O點的力矩為M如圖所示。力矩的方向按右手螺旋法則，即四指沿矢徑r的方向轉(zhuǎn)向力方向，大拇指的方向即為力矩方向。該力矩方向為垂直于平面向外。通常規(guī)定：力有使物體逆時針方向轉(zhuǎn)動的趨勢，則該力所產(chǎn)生的力矩為正，反之為負(fù)。力偶是指一對大小相等、方向相反的平行力。如汽車司機(jī)兩手作用于方向盤的力就是一個力偶。力偶中二力之和為0，即力偶無合力。力偶可以產(chǎn)生力偶矩。M=Fd

M=Fd，式中d為力偶臂，是力偶兩力作用線之間的垂距，如果力偶使物體作逆時針方向轉(zhuǎn)動的趨勢，則力矩為正，反之為負(fù)。（2）力的平移定理力可平行于自身移動到任意一點，但需增加一個力偶，其力偶矩等于原力對新作用點的力矩。如圖，作用于點A的力可用作用于點B的力和力偶矩M來代替。5-97.研究對象的受力分析為了清晰地表示物體的受力情況，需要把研究的物體（受力體）從周圍的物體（施力體）中分離出來，單獨畫出簡圖，叫做取研究對象。然后把施力物體對研究對象的作用力全部畫出來（受力圖）。例1

簡化田徑運(yùn)動員跑步后蹬動作的身體受力圖，并分析這些力對運(yùn)動的影響。解：如圖5-10所示后蹬動作中身體受到4個力的作用。（1）重力G（2）地面支撐力N（3）地面摩擦力f（4）空氣阻力F。把N、f、F三力平移至重心O點，并加上相應(yīng)的力偶矩，如圖5-11所示。5-105-11（二）力學(xué)條件作用于人體的力系可以簡化為一個合外力和一個合外力矩，當(dāng)力系平衡時滿足下列條件時，人體即處于平衡狀態(tài)，即：

ΣF=0ΣM=0當(dāng)ΣF=0時，人體沒有平動的加速度；當(dāng)ΣM=0時，人體沒有轉(zhuǎn)動的角加速度，兩個條件同時滿足人體即達(dá)到平衡。燕式平衡（一）影響人體平衡的力學(xué)因素人體平衡的穩(wěn)定性是人體處于有限穩(wěn)定平衡狀態(tài)時，抵抗各種破壞的作用而保持平衡的能力。三、影響人體平衡的因素1．支撐面：支撐面是由各支撐部位的表面及它們所包圍的面積。支撐面越大，物體平衡的穩(wěn)定性就越好。2．重心高度：重心越低，穩(wěn)定性越好。穩(wěn)定角是重力作用線和重心至支撐面相應(yīng)邊界的連線之間的夾角。穩(wěn)定角越大穩(wěn)定性越好，反之則越差。3．體重：在摔跤、拳擊、柔道等項目中運(yùn)動員按體重分級的原因之一是體重對人體的穩(wěn)定性也有影響。

例2:運(yùn)動員體重70kg，兩腳間距為0.5m，對手將一個196N的力從側(cè)面水平地作用于他，作用點距地面的高度為1.0m。若該運(yùn)動員受推力過程中姿勢不改變，試求：（1）重力作用線在支撐面正中央的穩(wěn)度系數(shù)；（2）若該運(yùn)動員將重力作用線移到離左腳B點5cm處，試求運(yùn)動員在左右兩個方向上的穩(wěn)度系數(shù)（3）若運(yùn)動員將兩腳間距增大至1m時，試求重力作用線在正中央時的穩(wěn)度系數(shù)。穩(wěn)度系數(shù)為穩(wěn)定力矩與翻倒力矩之比值。穩(wěn)度系數(shù)K>1時，平衡沒有被破壞；K=1時，處于臨界狀態(tài)；當(dāng)K<1時，平衡被破壞。這里的穩(wěn)定力矩一般是指重力矩，是人體的體重和重力臂二者的乘積。（二）影響人體平衡的生物學(xué)因素穩(wěn)定角、穩(wěn)度系數(shù)等指標(biāo)僅適用于剛體。對于人體這個具有高級神經(jīng)活動的生物力學(xué)系統(tǒng)，評定其動作的穩(wěn)定程度還需要考慮有關(guān)的生物學(xué)特點。1．人體不能絕對靜止由于呼吸活動和血液循環(huán)必然造成人體總重心位置在一定范圍內(nèi)波動，肌肉的張力在任何時候都不可能恒定，因此身體的姿勢不可能絕對靜止。2．人體有效支撐面小于支撐面由于人體軟組織和力量不太足的肌肉無力平衡負(fù)荷，所以翻倒線永遠(yuǎn)位于支撐面邊界線之內(nèi)，重力作用線未超過支撐面邊線時，人體就要提前翻倒。3．人體具有一定的自身平衡調(diào)節(jié)能力4．人體平衡受心理因素的影響5．人體平衡動作消耗肌肉的生理能超級嬰兒金雞獨立四、人體平衡的生物力學(xué)分析舉例（一）直角支撐直角支撐常見于雙杠和吊環(huán)項目中，它是以雙臂支撐整個身體，使軀干與下肢呈直角的平衡動作。受力分析：重力G、器械對人體的作用力N1、N2。人體平衡的力學(xué)條件：

5-13局部環(huán)節(jié)的肌肉作用：肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)周圍的肌群主要起固定兩臂作用。下肢重力矩由相應(yīng)的肌群以一定的拉力矩對抗。保持下肢水平姿勢股四頭肌的拉力矩與足和小腿重力矩平衡；小腿和大腿的重力矩是由髂腰肌、股直肌、縫匠肌等的拉力矩來平衡，腹肌完成固定工作。穩(wěn)定性分析：該動作屬于下支撐平衡，由于下肢的重力矩使身體有順時針轉(zhuǎn)動的趨勢，在兩