运动生物力学 | 嘎嘎’s NoteBook

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1. 运动生物力学学科概述

概念：是以人体的运动学、力学、生理学等理论与方法，研究体育运动中人体及器械运动规律的科学。

运动生物力学的学科任务

① 揭示人体结构及其运动规律

② 动作技术分析与优化

③ 预防运动损伤、科学康复训练

④ 设计、改进运动器材和设备

⑤ 设计和改进训练方法及手段

运动生物力学参数及其测量方法

人体运动生物力学参数包括：

人体惯性参数：人体整体及环节的质量、质心（重心）、转动惯量和转动半径等。

人体运动学参数：人体或器械运动的轨迹、速度、和加速度等。

人体动力学参数

人体电生理学参数

测量方法：

人体运动学参数测量：角度传感器、加速度传感器和摄影（像）测量。

人体动力学参数测量：三维测力台、测力板、分布式足底压力测量系统、等速测力系统

人体电生理学参数测量：肌电图

运动生物力学发展趋势

基础研究、应用研究、方法学与测试手段研究

2. 人体运动的力学基础

2.1. 人体运动中的运动学

标量→路程→径赛、矢量→位移→田赛

质点、刚体

人体运动学中量的特性：瞬时性、矢量性、相对性和独立性（叠加性）

惯性参考系、非惯性参考系

基本概念——人体的面与轴

人体的运动有三个面:

水平面：与地面平行的面，把人体分为上下两部分。

矢状面：与身体侧面平行的面，把人体分为左右两部分。

额状面：与身体前或后面平行的面，把人体分成前后两部分。

人体的运动有三个轴：

纵轴：额状面与矢状面交叉形成的、上下贯穿人体正中

的轴，又称垂直轴。

横轴：与地面平行且与额状面平行的轴，又称额状轴。

矢状轴：与地平面平行且又与矢状面平行的轴，在水平方向上前后贯穿人体。

匀速直线运动、变速直线运动

复合运动：绝对运动、相对运动、牵连运动

影响抛射体高度的因素：初速度、抛射角

影响抛射体远度的因素：抛射初速度、投掷角度

2.2. 人体运动中的静力学

力的三要素：大小、方向、作用点

几种常见的外力：重力、支撑反作用力、弹性力、摩擦力、流体作用力、向心力

支撑反作用力包括：静力性支撑反作用力、动力性支撑反作用力（超重、失重）

增大摩擦力的应用：钉鞋、镁粉等

减小摩擦力的应用：滑冰的冰刀、滑雪板等

平衡条件：

力矩：

力偶矩：

人体平衡

根据人体重心与支撑点的位置关系

上支撑平衡（悬垂平衡）

下支撑平衡（倒立平衡）

混合支撑平衡（肋木侧平衡）

根据平衡的稳定性（稳度）----保持平衡的能力

稳定平衡（吊袋、悬垂）

不稳定平衡（单臂倒立）

随遇平衡（球的平衡）

有限度的稳定平衡（人下支撑平衡）

与平衡有关的影响因素：

①支撑面；

②重心；

③稳定角；

④平衡角；

⑤稳定系数

物体越重，稳定角越大 → 稳定力矩越大，抵抗倾倒的能力越强。

若K>1，重心落在支撑面之内，平衡不破坏。

若K<1，重心落在支撑面之外，平衡被破坏。

人体平衡的生物学特点：

① 人体不能处于绝对的静止状态

② 人体内力在维持平衡中发挥重要作用

③ 人体在平衡控制中有补偿动作

④ 人体具自我控制、调节和恢复平衡的能力

⑤ 人体平衡受到心理因素的影响

⑥ 人体的平衡动作消耗肌肉的生理能

2.3. 人体运动中的动力学

动量定理在体育运动中的应用：

① 延长力的作用时间，增大冲量

② 增加缓冲时间，减少反冲力

③ 计算人体运动中的一些力学参数

在运动技术中，力和速度的乘积（功率）称为爆发力：肌肉能在最短时间内完成的功。

动量定理

机械能守恒

2.4. 人体运动中的转动力学

转动轴

固定轴、动轴

实体轴、非实体轴

转动惯量的概念：

人体转动惯量的特点：绕矢状轴的转动惯量是最大的，而绕垂直轴的转动惯量是最小的

转动定律

转动惯量与转动的角速度的乘积，叫动量矩。反映了刚体的转动状态。

动量矩守恒

冲量矩是力矩和时间的乘积，表示外力矩对物体转动在时间上的累积效应。

动量矩定理

动量矩守恒定律及其应用：

即角动量守恒定理，其内容为刚体所受到的合外力矩为零

时，其动量矩保持不变。即。

为增大环节的转动效果（角速度ω），通常可采用如下途径：

（1）增大肌力矩

（2）减小转动惯量

旋转与反弹：

3. 人体运动器官的生物力学

3.1. 骨的生物力学

人体运动系统:

骨——运动的杠杆关节——运动的枢纽（支点）肌肉——运动的动力

载荷类型：拉伸a、压缩b、弯曲c、剪切d、扭转e和复合f（这不是我们材料力学的梗吗，下次记得注明出处）

应力-应变曲线：弹性区和塑性区

屈服点A、屈服应力（屈服极限）

断裂点B、强度极限

衡量骨承载能力的三要素：强度、刚度、稳定性

影响骨力学性质的因素：

1. 性别和年龄

2.骨的各向异性及解剖部位差异

在最常见的载荷方向上，骨骼的强度和刚度最大。

3.应力集中的影响

骨的生物力学特性：骨骼承受压缩载荷的能力最强、骨骼的扭转强度最小

骨折类型：

① 暴力骨折（拉、压、弯、剪、扭、复合）

尺挠骨双折原因：

➢ 直接暴力。

➢ 传达暴力。

➢ 扭转暴力。

② 疲劳性骨折

由于重复作用的较低负载引起的骨折称为疲劳性骨折，又叫应力性骨折、新兵骨折、慢性骨折等。

③ 继发性骨伤

④ 病理性骨伤

根据支点、力点、阻力点三者不同的位置分布，骨杠杆分为：

① 平衡杠杆（或静止杠杆）：支点在中间，肌肉拉力臂约等于阻力。例如颈椎处寰枕关节

② 省力杠杆：支点在一端，肌肉拉力臂大于阻力臂，例如站立时提踵

③ 速度杠杆（或费力杠杆）：支点在一端，肌肉拉力臂小于阻力臂。例如肱二头肌屈前臂的动作

3.2. 人体骨骼肌的生物力学

骨骼肌的物理特性——展性(伸展性)、弹性、粘性(粘滞性)

骨骼肌的生理特性——兴奋性、收缩性

收缩情况：

单收缩

强直收缩

不完全强直收缩
完全强直收缩

根据肌肉收缩时长度和张力的变化，将肌肉收缩形式分为三类：

缩短收缩（向心收缩）

张力大于外加阻力时，肌长度缩短

肌肉变短、变粗、变硬

依据整个关节运动范围肌肉张力与负荷的关系，分为：非等动收缩和等动收缩

①非等动收缩：在缩短收缩过程中，负荷不变，肌肉张力改变。例：屈肘

②等动收缩：在缩短收缩过程中，肌肉张力=负荷（外力）。例：游泳

等动收缩和非等动收缩区别：

a.等动收缩时在整个运动范围内都能产生最大的肌张力，非等动收缩则不能。

b.等动收缩的速度可以根据需要进行调节。

拉长收缩（离心收缩）

作用：缓冲、制动、减速、克服重力。

例子：下蹲、搬运重物、下坡跑、下楼梯

等长收缩（静力性收缩）

作用：支持、固定、维持某种身体姿势

肌肉做拉长工作容易引起肌肉的酸疼和损伤。

超等长收缩：将肌肉拉长后，很快切换过来进行缩短收缩的一种复合式收缩动作——用来提高跳跃能力和短跑能力，是提高爆发力的一种训练方法。

肌肉承受的负荷形式：

前负荷：肌肉收缩开始前所承受的负荷。

后负荷：肌肉收缩开始后所遇到的负荷。

长度- 张力曲线：肌肉收缩前就处于某种被拉长状态；改变前负荷实际上是改变肌肉收缩的初长度。意义：运动前适当拉长肌肉的初长度，能增加力量。

力量-速度曲线：

后负荷越大，肌肉收缩力量越大，速度也越慢。即力量与速度呈负相关。

力量-速度曲线对训练的指导意义：

小负荷训练，可使肌肉收缩速度提高；

大负荷训练，可使肌肉力量得到发展。

4. 人体基本运动原理

人体运动基本原理

一．骨杠杆原理

人体单个关节活动的三个典型杠杆：

① 平衡杠杆——支点在中间，肌肉拉力臂约等于阻力臂。如：寰枕关节。

② 省力杠杆——支点在一端，肌肉拉力臂大于阻力臂。如：踝关节提踵。

③ 速度杠杆——支点在一端，肌肉拉力臂小于阻力臂。如：屈臂弯举、踢腿等。

二．关节活动顺序性原理

（一）大关节首先产生活动原理：人体四肢由近端至远端，各关节所配置的肌肉由强变弱，即肌肉生理横断面逐个减少。因此把所配置的肌肉横断面大的关节称为大关节，反之称小关节。

“先大后小、依次完成”

（二）活动顺序性原理的意义

① 主动加强大关节用力，充分发挥大关节的潜力，有利于动作技术的完成。

② 小关节活动重要性

a) 小关节是人体的支撑点

b) 影响动作时间

c) 精确控制方向

缓冲动作原理：(动作形式）

结束性的缓冲动作

过渡性的缓冲动作

控制性的缓冲动作

5. 动作技术的生物力学分析

运动技术最为常见的一些目的如下：

➢ 速度（运动员或物体尽可能快速地移动）。

➢ 准确度（运动员或物体尽可能准确地移动）。

➢ 姿势（运动员使用准确的所需姿势）。

➢ 距离（运动员或物体移动得尽可能远）

很多运动技术都可以被分为以下4个阶段：

（1）准备动作和心理准备。

（2）准备姿势。

（3）发力动作。

（4）跟随动作或恢复动作。

动作阶段划分通常可依据以下几个条件：

（1）肌肉工作形式。

（2）作用力的性质。

（3）动作方向。

（4）动作的任务与性质。

（5）人体与周围环境关系。

6. 走路、跑步中的运动生物力学分析

6.1 走的生物力学分析

支撑相

包括3个阶段支撑相早期、支撑中期、支撑相末期

步行与跑步的关键差别在双支撑相

双足支撑是步行的最大特点。

摆动相

6.2 跑的生物力学分析

一个步长：后蹬阶段、腾空阶段、缓冲阶段

跑步的生物力学特征：

不同跑速身体倾角的不同

过大或过小的步长都不利于提高跑的效率

步态分析——运动学分析

运动学分析：研究步行时肢体运动时间和空间变化规律的方法。主要包括：

① 人体重心

② 时间-空间参数测定

③ 节段性运动测定

重心变化-垂直方向：

在一个步态周期中，重心在垂直方向上产生两个正弦波

在两个双支撑相时是重心的最低点，在两个单支撑相时重心达到最高点

重心变化-水平方向

重心在左右方向的移动形成单个正弦波形

右下肢支撑相中点时，重心向右侧的位移最大；左侧

支撑相中点时，重心向左侧的位移最大

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by 嘎嘎sama