幾種運(yùn)動(dòng)的力學(xué)原理.ppt

1、幾 種 運(yùn) 動(dòng) 中 的力 學(xué) 原 理,尤 明 慶 2008 年 11 月 10 日,幾種運(yùn)動(dòng)中的力學(xué)原理,前言 人體的跳躍 蕩秋千中的功能轉(zhuǎn)換 自行車(chē)的穩(wěn)定性 活力板的前進(jìn)動(dòng)力 逆風(fēng)行船的策略,做個(gè)好人心正身安魂魄穩(wěn),行些善事天知地鋻鬼神親,欽,夢(mèng),攝于1993年,朱建華，1963年4月1日生 1983年6月11日第五屆全國(guó)運(yùn)動(dòng)會(huì)田徑預(yù)選賽時(shí)，朱建華曾以2.37米打破跳高世界紀(jì)錄 1984年6月10日在聯(lián)邦德國(guó)以2.39米打破男子跳高世界紀(jì)錄。這是12個(gè)月內(nèi)第3次打破世界紀(jì)錄 1984年第23屆奧運(yùn)會(huì)以2.31米獲男子跳高銅牌,未如國(guó)人所愿獲得金牌后，悲劇也就自然開(kāi)始了。 朱建華是以悲劇的方式

2、結(jié)束運(yùn)動(dòng)生涯的，在他告別體壇時(shí)，人們更多地認(rèn)為他是一個(gè)失敗者。 他沒(méi)有獲得過(guò)今天劉翔這樣多的獎(jiǎng)金和贊助，這樣的包裝和頌揚(yáng)。很少有人意識(shí)到，在劉翔2004年奪取雅典奧運(yùn)會(huì)冠軍前，朱建華在洛杉磯奧運(yùn)會(huì)上贏得的跳高銅牌，是中國(guó)男子運(yùn)動(dòng)員獲得的唯一奧運(yùn)田徑獎(jiǎng)牌。,人體運(yùn)動(dòng)的特殊性,與無(wú)生命的物體不同，人體運(yùn)動(dòng)受意識(shí)控制，也遵循力學(xué)普遍規(guī)律，卻具有特殊的復(fù)雜性。 （1）人體是有限個(gè)部件用關(guān)節(jié)聯(lián)結(jié)成的骨骼系統(tǒng)。 （2）各相鄰部件之間存在肌肉聯(lián)系，可施加作用力以改變相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 （3）肌肉作用力受神經(jīng)中樞控制。,立定跳躍的條件,劉延柱. 雙足步行與跳躍的力學(xué)分析. 力學(xué)與實(shí)踐，2008，30（3）：475

3、1,跳 躍 的 力 學(xué) 定 義,將一個(gè)簡(jiǎn)單的彈簧一質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)置于地面但不與地面固定，向下壓縮彈簧突然松手，可以觀察到質(zhì)點(diǎn)在彈簧反力作用下向上運(yùn)動(dòng)和離地跳起的過(guò)程,單自由度彈簧一質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)是正弦規(guī)律的周期運(yùn)動(dòng),質(zhì)點(diǎn)從初始時(shí)刻向上的加速運(yùn)動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇p速，當(dāng)向下的負(fù)加速度等于重力加速度時(shí)，向上的慣性力恰好與重力平衡，法向約束力為零，約束即被解除,人體原地跳躍過(guò)程也很相似，彈簧的作用由聯(lián)結(jié)膝關(guān)節(jié)的肌肉實(shí)現(xiàn) 肌肉收縮產(chǎn)生張力控制膝關(guān)節(jié)角度的變化，使下肢從靜止下蹲狀態(tài)突然伸展，帶動(dòng)軀體以加速度垂直向上運(yùn)動(dòng)，然后逐漸減小為負(fù)值,要提高離地速度，起先必須用大力蹬地以獲得最大的起始伸展速度。但隨后的制動(dòng)過(guò)程

4、必須緩慢，因?yàn)檫^(guò)快的制動(dòng)將使解除約束過(guò)早發(fā)生，致使人體尚未積累足夠的垂直速度即離地跳起而影響成。,設(shè)人體質(zhì)心的垂直加速度按簡(jiǎn)單的線性規(guī)律變化,N = 0 時(shí)跳離地面,計(jì)算跳離地面時(shí)速度,設(shè)人體質(zhì)心的垂直加速度按簡(jiǎn)單的線性規(guī)律變化,起跳條件：a0 g, 即 N 2 mg,計(jì)算跳離地面時(shí)速度,騰空高度 H,助跑的作用,原地跳躍只是最簡(jiǎn)單的跳躍模式跳遠(yuǎn)、跳高、三級(jí)跳都是帶助跑的跳躍 與靜止?fàn)顟B(tài)下開(kāi)始蹬地的原地跳躍不同，助跑的以碰撞形式用力踏地即使踏地過(guò)程極其短暫，碰撞沖量也足以使速度產(chǎn)生突變 騰空后初速度為垂直離地速度與水平助跑速度的合成優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員能依據(jù)訓(xùn)練中取得的經(jīng)驗(yàn)控制騰空速度的大小和角度，以取

5、得跳遠(yuǎn)或跳高的最佳效果,與跳躍運(yùn)動(dòng)相反，競(jìng)走運(yùn)動(dòng)必須避免支承足離開(kāi)地面的犯規(guī)動(dòng)作。解除約束是由重心垂直加速度引起的，因此運(yùn)動(dòng)員必須力圖避免重心上下波動(dòng)，形成了競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員獨(dú)特的扭臀動(dòng)作。,跳 高 姿 勢(shì) 的 變 遷,趙致真. 橫桿下鉆過(guò)去的跳高. 力學(xué)與實(shí)踐，2008，30（3）：101103,跳 高：以失敗告終的比賽,2008北京奧運(yùn)會(huì) 俄羅斯斯林諾夫 男子跳高冠軍2.36米,跳 高：以失敗告終的比賽,男子世界跳高紀(jì)錄為2.45 米，而1896年第一屆奧運(yùn)會(huì)跳高成績(jī)僅為1.81米。其原因并非人類(lèi)彈跳能力的增強(qiáng)，而是充分掌握力學(xué)原理，不斷改進(jìn)跳高技術(shù)。,最初的跳高都是“自由式”，運(yùn)動(dòng)員沿垂直方向

6、跑近橫竿，用隨意的動(dòng)作騰空跨越。1839年加拿大運(yùn)動(dòng)員沃夫蘭跳過(guò)了1.69米，這是公認(rèn)的最早世界紀(jì)錄。,生命源于火山,最初的跳高都是“自由式”，運(yùn)動(dòng)員沿垂直方向跑近橫竿，用隨意的動(dòng)作騰空跨越。1839年加拿大運(yùn)動(dòng)員沃夫蘭跳過(guò)了1.69米，這是公認(rèn)的最早世界紀(jì)錄。,生命源于火山,1864 年英國(guó)選手羅伯特 柯奇創(chuàng)造側(cè)面助跑、兩條腿交替過(guò)竿的跨越式技術(shù)，突破1.70米大關(guān)，標(biāo)志著原始跳高的終結(jié)。1895年，美國(guó)選手斯韋尼在桿上急速轉(zhuǎn)體，起跳腿和擺動(dòng)腿做剪絞動(dòng)作，稱(chēng)為剪式，跳出1.97米世界紀(jì)錄并保持17年。,1912年美國(guó)大學(xué)生霍拉茵首創(chuàng)滾式 跳高紀(jì)錄突破2米大關(guān),1936年柏林奧運(yùn)會(huì)上，美國(guó)選手

7、阿爾布里頓用“肚皮朝下、騎跨橫桿”的俯臥式技術(shù)飛掠2米而獲得銀牌，美國(guó)選手司蒂斯又在1941年以同樣姿勢(shì)跳出2.11米成績(jī)，確立了俯臥式跳高在體壇上的統(tǒng)治地位。,中國(guó)倪志欽1970年創(chuàng)造2.29米世界紀(jì)錄，民主德國(guó)阿克曼在1977年首次突破2米大關(guān)，是俯臥式跳高最后的輝煌與謝幕。,美國(guó)大學(xué)生福斯貝里在1968年墨西哥奧運(yùn)會(huì)上，用怪異的“背朝橫桿面朝天” 的“背越式”，跳過(guò)2.24米高度摘取金牌，引起轟動(dòng)。,如日中天的俯臥式和初露頭角的背越式并駕齊驅(qū)，人們對(duì)兩者的優(yōu)劣得失爭(zhēng)論不休。 1972慕尼黑奧運(yùn)會(huì)上，16歲的聯(lián)邦德國(guó)女選手梅法特以背越式跳出1.92米成績(jī)平世界紀(jì)錄獲得冠軍。1980年莫斯科

8、奧運(yùn)會(huì)上，民主德國(guó)選手韋西克以背越式跳過(guò)2.36米獲得金牌，并打破以俯臥式創(chuàng)造的世界紀(jì)錄。此后，國(guó)際比賽上就很難看到俯臥式的身影了。 體育場(chǎng)上也是物競(jìng)天擇、優(yōu)勝劣汰?？梢哉f(shuō)背越式技術(shù)從根本上再造了跳高。,跳高動(dòng)作從跨越式、滾式、俯臥式到背越式，也越來(lái)越合乎力學(xué)原理，越來(lái)越適合發(fā)揮人的潛能,跳躍者起跳后獲得的重心高度和重心拋物線決定成敗。過(guò)桿姿態(tài)，即身體各個(gè)部位的協(xié)調(diào)也很重要。,運(yùn)動(dòng)員能跳過(guò)橫桿高度和三個(gè)距離有關(guān)：起跳離地一瞬間身體重心高度，跳躍使人體重心上升高度，以及人體重心騰起最高點(diǎn)至橫桿間的距離。,背越式的革命性意義在于運(yùn)動(dòng)員的身體形成“反弓”和“背橋”，頭、肩、背、腰、臀、腿部“分期分批

9、，化整為零”依次滑過(guò)橫桿，完全不同于其他跳高形式中身體必須在瞬間“一攬子”過(guò)桿。,背越式跳高另外一大優(yōu)勢(shì)是“J型”的弧線助跑。隨著最后三、四步的曲率半徑越來(lái)越小，人體起跳時(shí)便在慣性作用下沿切線飛出，獲得轉(zhuǎn)向橫桿的角動(dòng)量并自然成為水平姿勢(shì)。,背越式跳高在起跳腿蹬伸之前，身體重心便在擺動(dòng)腿的最后支撐中開(kāi)始提升。因此，起跳腿是接過(guò)擺動(dòng)腿產(chǎn)生的垂直初速度進(jìn)行積累和疊加。這種“雙動(dòng)力起跳”是任何其他跳高技術(shù)都無(wú)法比擬的。,可能的最佳姿勢(shì)？,耐心等待,如今跳高運(yùn)動(dòng)已經(jīng)進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定期，1993年由古巴選手索托馬約爾刷新的2.45米男子世界紀(jì)錄無(wú)人挑戰(zhàn)，1987年保加利亞選手科斯塔迪諾娃創(chuàng)造的2.09米女子世

10、界紀(jì)錄保持至今。明天會(huì)不會(huì)有新的跳高技術(shù)問(wèn)世還很難逆料。1996年亞特蘭大殘奧會(huì)上，中國(guó)運(yùn)動(dòng)員候?yàn)I以一個(gè)京劇武生的折體飛越動(dòng)作，創(chuàng)造了1.92米的世界紀(jì)錄。,蕩秋千的技巧和力學(xué)原理,蕩 秋 千 歷史悠久 地域廣闊,蝶戀花 北宋 蘇軾 花褪殘紅青杏小，燕子飛時(shí)，綠水人家繞。枝上柳綿吹又少，天涯何處無(wú)方（芳）草。 墻里秋千墻外道，墻外行人，墻里佳人笑。笑漸不聞聲漸消（悄)，多情卻被無(wú)情惱。,2008年10月11日第13屆北京朝鮮族運(yùn)動(dòng)會(huì)在中央民族大學(xué)進(jìn)行。77歲朝鮮族老人李鳳子參加蕩秋千比賽。,安全要緊,大理白族三月街開(kāi)街儀式后，依照當(dāng)?shù)亓?xí)俗舉行規(guī)模盛大的集市和體育競(jìng)技,1 武際可從蕩秋千說(shuō)開(kāi)去漫

11、話共振力學(xué)與實(shí)踐，2003，25(2)：7578 2 劉延柱再談蕩秋千兼談自激振動(dòng)力學(xué)與實(shí)踐，2007，29(3)：9293 3 Case WB, Swanson MA（武箐譯，杜忠仁校）對(duì)于蕩秋千的動(dòng)力學(xué)分析數(shù)理譯叢，1991，1：6168 4 陳建平，陶秋帆，袁健蕩秋千動(dòng)力學(xué)過(guò)程的數(shù)值模擬力學(xué)與實(shí)踐，2008，30(2)：108110 5 吳軍蕩秋千中的物理學(xué)物理教師，2006，27(7)：51 6 賀承緒，張可，談應(yīng)朝，等關(guān)于蕩秋千的能量分析物理與工程，2005，15(1)：2526 7 龍佩林秋千擺蕩技術(shù)的生物力學(xué)與解剖學(xué)分析北京體育大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，25(2)：194197,尤明慶

12、關(guān)于蕩秋千力學(xué)原理的一個(gè)注記 力學(xué)與實(shí)踐， 2008年11月2日投稿，2008年11月17日錄用,人體重心的軌跡,蕩秋千的技術(shù)要領(lǐng)是，雙手抓緊懸索，雙腳站穩(wěn)踏板，在高處屈膝下蹲，在低處挺身直立，即可越蕩越高。 其力學(xué)原理,人體重心的軌跡,A點(diǎn): 人處于蹲姿,B-C: 站立克服重力做功，能量增加，速度？,A-B: 重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，能量守恒,C-D:動(dòng)能轉(zhuǎn)換為重力勢(shì)能，能量守恒,D: 從站姿轉(zhuǎn)為蹲姿，系統(tǒng)能量減?。坏?動(dòng)量矩守恒速度增加,人體重心的軌跡,動(dòng)量矩守恒速度增加,自 行 車(chē) 的 穩(wěn) 定 性,劉延柱. 趣談自行車(chē)運(yùn)動(dòng). 力學(xué)與實(shí)踐，2008，30（3）：100101,另?yè)?jù)部分網(wǎng)上材料

13、,三轉(zhuǎn)一響,飛鴿、永久 和上海鳳凰,交通工具 運(yùn)動(dòng)休閑,英國(guó)人勞埃德 斯科特騎著一輛老式自行車(chē)從澳大利亞的珀斯開(kāi)始超長(zhǎng)馬拉松式騎行。他將從珀斯出發(fā)，穿越澳大利亞大陸，騎向東海岸的悉尼。,自行車(chē)為什么前進(jìn)為什么不倒雙手脫把也能不倒,當(dāng)然是摩擦力，轉(zhuǎn)輪與地面的摩擦力。 關(guān)鍵：轉(zhuǎn)軸延長(zhǎng)線與地面的交點(diǎn)與轉(zhuǎn)輪在地面上接觸點(diǎn)不重合,若自行車(chē)整體向左傾斜那么：,轉(zhuǎn)彎需要向心力，自行車(chē)將承受離心力 前輪轉(zhuǎn)彎還需要陀螺力矩，也可以平衡自行車(chē)傾斜產(chǎn)生的重力力矩,自行車(chē)前輪受力分析：W 和 N,前輪左轉(zhuǎn),若自行車(chē)整體向左傾斜那么：,人可以調(diào)節(jié)自行車(chē)前輪的方向， 人也可以調(diào)節(jié)自身重心的位置，使得,自行車(chē)前輪受力分析：

14、W 和 N,前輪左轉(zhuǎn),活力板 Vigor Board,滑 板,劉延柱，苗應(yīng)愷. 活力板運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)分析. 力學(xué)與實(shí)踐，2008，30（3）：6062,活力板為什么能向前運(yùn)動(dòng)？,活力板分前后兩部分，中間用軸聯(lián)結(jié)。前后板可以繞水平的聯(lián)結(jié)軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，底部通過(guò)輪架安裝滑輪，輪架可繞傾斜的轉(zhuǎn)軸自由旋轉(zhuǎn)。 運(yùn)動(dòng)者雙腳分別站在前后板上，依靠身體的扭動(dòng)或擺動(dòng)就可以向前滑動(dòng)和轉(zhuǎn)彎。,活力板為什么能向前運(yùn)動(dòng)？,人身體運(yùn)動(dòng)，但雙腳與活力板相對(duì)靜止，存在相互作用力；活力板受到人雙腳和地面的作用力，對(duì)活力板而言都是外力；人活力板系統(tǒng)所受到的外力只有地面對(duì)活力板滾輪的作用力。,討論人體驅(qū)動(dòng)活力板運(yùn)動(dòng)時(shí)需要分清三個(gè)對(duì)象：

15、人，活力板和人體活力板構(gòu)成的系統(tǒng)。,活力板為什么能向前運(yùn)動(dòng)？,活力板為什么能向前運(yùn)動(dòng)？,潮平兩岸闊風(fēng)正一帆懸,疾風(fēng)吹飛帆 倏忽南與北,Reaching is the term used when the boat is at 90 degrees, or side-on, to the wind. IT can be broken down into 3 further terms:,close reach is when the wind is blowing at a 3/4 angle to the bow of the boat; beam reach is when the wind

16、 is blowing at exactly right angles to the boat and broad reach is when the wind is blowing at a 3/4 angle to the stern of the boat.,Running is the term used when the boat is being sailed in the same direction as the wind, ie the wind is blowing directly to the stern of the boat,Beating is the term

17、used when the boat is sailing as much into the wind as it can get stern of the boat,The term tacking is used to describe the line that a sailor sails his boat to make progress into wind. Tacking is a continuous zig-zagging at approximately 45 degrees into wind on each tack. As its impossible for a s

18、ailboat to sail directly into the wind, this is the most efficient way of making headway,逆風(fēng)行船的操作要領(lǐng)： 利用船舵將船身，即龍骨調(diào)整至與風(fēng)向成45度角左右 調(diào)整帆的位置，使之正好平分風(fēng)向與船龍骨所構(gòu)成的夾角。,風(fēng)對(duì)帆的作用力主體垂直于帆面。作用方向也是朝向右后方的。 因此，帆船似乎應(yīng)該順著帆傳遞的作用力方向往右后方移動(dòng)。 那么帆船逆風(fēng)行駛的關(guān)鍵是：帆船的形狀！,帆產(chǎn)生的向右后方作用力分解為沿龍骨方向的作用力PT和垂直于龍骨方向的作用力PR。 力PT推動(dòng)帆船向 45度方向前進(jìn)； 力PR推動(dòng)帆船向135度方向