運動力學基礎

1、運動學基礎,第二章 運動力學基礎,目錄,第一節(jié) 運動中的力與力矩第二節(jié) 人體運動的動力學第三節(jié) 人體運動的靜力學第四節(jié) 人體運動的轉動力學第五節(jié) 骨與關節(jié)生物力學,重點與難點,重點：力、力矩、穩(wěn)定角、人體轉動慣量的概念；骨的杠桿作用；關節(jié)的類型及運動。常見的外力和內力；力的合成和分解；人體平衡的條件；骨與關節(jié)生物力學特征。 難點：牛頓運動定律、轉動定律及其應用。,人體和物體的運動在運動形式上多種多樣，千差萬別。這種差別主要表

2、現(xiàn)在時間和空間兩個主要方面，其形成的原因是人體或物體受到的力和力矩不同。,LOREM IPSUM DOLOR,,,第一節(jié),運動中的力與力矩,,一、運動中的力 力是一個物體對另一個物體的作用，是使物體產生形變或線運動狀態(tài)改變的原因。 力矩則是力和力臂的乘積，是使物體轉動狀態(tài)改變的原因。,內力外力,LOREM IPSUM DOLOR,（一）外力重力 是

3、地球對人體或物體的引力，是一種非接觸力。摩擦力 是兩相互接觸的物體做相對運動（線運動或滾動）或有相對運動趨勢時產生的力。支撐反作用力 人體重力作用于支撐面上，支撐面又反作用于人體。 流體作用力 人體在空氣和水中運動時，必然與流體發(fā)生接觸并相互作用，流體對人體的作用即為流體作用力。 器械的阻力,LOREM IPSUM DOLOR,（二）內力1. 肌拉力 骨骼肌借助肌腱附著于骨，產生對骨的拉力維持人體姿勢，引起人體內各部

4、分、各環(huán)節(jié)的相對運動，是人體內力中最重要的主動力。,LOREM IPSUM DOLOR,肌拉力線 喙肱肌拉力線位于肩關節(jié)冠狀軸前方、矢狀軸內側，使肩關節(jié)內收和屈。肱肌位于肘關節(jié)中心運動軸的冠狀軸前方，能使肘關節(jié)屈。,LOREM IPSUM,2. 組織彈力 當機體拉伸、壓縮、扭轉時會發(fā)生形變，彈力是機體形變做功的能力。 希爾三元素模型:①可收縮成分：相當于骨骼肌中肌纖維成分;②串聯(lián)彈性元：主要是位于

5、骨骼肌兩端的肌腱；③并聯(lián)彈性元：包裹在整個骨骼肌表面和肌束、肌纖維表面的結締組織。,,3. 其他內力 人體內各組織器官具有不同的形態(tài)、結構和生物力學特性。人體由于各種運動過程引起這些組織器官發(fā)生形態(tài)、位置改變時，可以產生摩擦力、流體阻力等。,如血流阻力,（三）力的合成與分解1. 合力與分力 一個力如果它產生的效果與幾個力共同作用的效果相同，則這個力就叫那幾個力的合力，而那幾個力就叫這個力的分力。 力的平行四邊

6、形定則,LOREM IPSUM DOLOR,LOREM IPSUM DOLOR,2. 力的合成 求幾個已知力的合力，叫力的合成。 3.力的分解 力的分解是力的合成的逆運算。 肌力分解及其作用,LOREM IPSUM,（四）力的時間與空間積累效應 1. 力的時間累積效應 合外力與其作用時間的乘積（F·Δt ）稱為力的沖量。 質量與速度的乘積（m v）稱為動量。 動量定理

7、 ：物體動量的增量等于其所受的沖量。,LOREM IPSUM DOLOR,（1）人體運動中為了減小外界的沖擊力，通常需要延長外力的作用時間。 如落地緩沖。 （2）為了給物體或人體強大的沖力，要求與物體或人體接觸（撞擊）的時間要短。 如用錘子釘釘子。（3）增大作用力和延長力的作用時間，可以使人體或器械獲得更大的

8、速度。 如投擲壘球 。,2. 力的空間累積效應 力與力作用方向上移動距離的乘積（F·S），是力的空間累積效應，在力學上稱力對物體做了功。 動能定理：力對物體做的功等于物體機械能（動能和勢能）的增量。,LOREM IPSUM DOLOR,LOREM IPSUM,二、運動中的力矩 力矩（M）是作用于物體或人體的合力（F）與支點到力作用線距離（d）的乘積， 即M=F&

9、#215;ｄ。 分析：手握球做屈肘動作產生的力矩,,,第二節(jié),人體運動的動力學,LOREM IPSUM DOLOR,一、牛頓運動定律（一）牛頓第一定律 任何物體在不受外力作用（或所受合外力為零）時將保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)不變，又稱慣性定律。（二）牛頓第二定律 當物體所受到的合外力不為零時，物體的運動狀態(tài)會發(fā)生改變。 （三）牛頓第三定律 即作用力與反作用力定律

10、 。,LOREM IPSUM DOLOR,二、牛頓運動定律在人體運動中的應用（一）運動中合理利用慣性可以省力 （二）克服重物慣性需要遵循骨骼肌活動順序原理（三）增加人體對外界的作用力可以增大外界對人體的反作用力,,,第三節(jié),人體運動的靜力學,一、力系平衡條件與人體平衡的類型 平衡是物體速度和方向不變的狀態(tài)。 靜態(tài)平衡 動態(tài)平衡。,LOREM IPSUM DOLOR

11、,（一）力系平衡條件1.共點、共線力系 2.平面匯交力系 3.平面平行力系 4.空間一般力系 共點、共線力系的平衡只要滿足合力為零 其他力系的平衡條件均為合力為零，合力矩為零。,（二）人體平衡類型1.平衡時重心與支撐點的位置關系分類 2.平衡時保持平衡的能力分類,上支撐平衡下支撐平衡混合支撐平衡,穩(wěn)定平衡有限穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡隨遇平衡,LOREM IPSUM DOLOR,二、

12、穩(wěn)定性及其影響因素（一）穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是指人體和物體抵抗各種干擾作用保持平衡的能力。 一是人體靜止時抵抗各種干擾的能力，這種能力稱為靜態(tài)穩(wěn)定性。 二是指人體重心偏移平衡位置后，干擾因素除去時，人體仍能恢復到初始平衡范圍，此為人體平衡的動態(tài)穩(wěn)定性。,LOREM IPSUM DOLOR,（二）影響人體下支撐穩(wěn)定性的因素與評價指標 1. 影響人體下支撐穩(wěn)定性的因素 （1）支

13、撐面大?。褐蚊娲螅€(wěn)定度大；支撐面小，穩(wěn)定度小。（2）重心的高低：在支撐面不變的情況下，人體的重心位置越低，穩(wěn)定度越大；重心位置越高，穩(wěn)定度越小。,,,比較重心高低和支撐面大小,,,2. 人體下支撐穩(wěn)定性的評價指標（1）穩(wěn)定角：是指重力作用線和重心至支撐面邊緣相應點的連線間的夾角 。重心高度相同，支撐面越大，穩(wěn)定角越大；支撐面相同，重心越高，穩(wěn)定角越小。,LOREM IPSUM DOLOR,,（2）穩(wěn)定系數(shù)：穩(wěn)定系數(shù)是

14、指穩(wěn)定力矩與傾倒力矩的比值。 穩(wěn)定系數(shù)大于1時，物體能抵抗外來翻倒力矩，平衡不被破壞； 穩(wěn)定系數(shù)小于1時，物體抵抗不住外來的翻倒力矩，平衡將遭到破壞，物體會翻倒。,《犯罪高手》MV中邁克爾杰克遜傾斜45°,,三、人體平衡與穩(wěn)定的特點1. 人體不能絕對靜止 2. 人體形狀可變 3. 人體內力起重要作用 4. 心理因素的影響 5. 感覺系統(tǒng)在保持人體平衡中的作用,L

15、OREM IPSUM DOLOR,,,第四節(jié),人體運動的轉動力學,LOREM IPSUM DOLOR,人體各環(huán)節(jié)的運動都是骨骼肌牽引骨圍繞著關節(jié)運動軸的轉動。 把人體看做剛體,,一、轉動運動學（一）人體轉動的轉動軸 剛體轉動時，剛體上的各點都做圓周運動形成大小不等的同心圓，各圓的中心都位于同一條直線上，這條直線叫做轉動軸。,,LOREM IPSUM,當人體圍繞固定在地面上的運動器械轉動時，器械就

16、是人體的轉動軸，稱為實體軸。 當人體局部肢體或整體轉動時所圍繞的是位于人體內部的某特定的直線，則為非實體軸。 有支點、有實體軸 的轉動,,支點無實體軸的轉動 無支點、無實體軸,,復合軸的旋空,,（二）角運動學 1. 角位移 是描述物體轉動時位置變化的物理量。國際單位為弧度，通?？捎?#176;表示。2. 角速度 連接運動點和圓心的半徑在單位時間內轉過的弧度叫做“角速度”。國際單位為弧度/秒

17、，用字母ω表示。3. 角加速度 是描述剛體角速度的大小和方向對時間變化率的物理量，國際單位是“弧度/秒平方”，用字母α表示，計算公式為α=Δω / Δt。,,LOREM IPSUM DOLOR,二、轉動動力學 產生轉動的條件必須滿足合外力矩不為零。 （一）轉動定律1. 轉動慣量 又稱慣性距、慣性矩(俗稱慣性力矩)，是剛體繞軸轉動時慣性的量度，用以描述物體保持原有轉動狀態(tài)的能力。 只決定于剛體的形狀

18、、質量分布和轉軸的位置，而同剛體繞軸的轉動狀態(tài)無關。,鄭秀媛的中國人體慣性參數(shù)模型標準。 環(huán)節(jié)的轉動慣量（I）等于環(huán)節(jié)中質點的質量（m）乘以質點到轉軸的垂直距離（r）的平方。即I=mr2，單位為千克·米平方（kg·m2）。,LOREM IPSUM DOLOR,人體轉動慣量會隨不同的位置的轉軸和身體姿勢的改變而發(fā)生相應的改變。 例如跳水動作過程中人體伸展、兩折、三折時的轉動慣量會隨著轉

19、動半徑的減小而依次減小。,LOREM IPSUM DOLOR,,2. 轉動定律 當物體受到合外力矩（?M）的作用而發(fā)生轉動時，則轉動體的轉動慣量（I）乘以角加速度（α）的乘積等于作用于轉動體的合外力矩，即?M=I·α。,剛體轉動的角加速度與它所受的合外力矩成正比， 與剛體的轉動慣量成反比.,LOREM IPSUM DOLOR,（二）動量矩定理 假定轉動慣量為I的剛體在外力矩M的作用下，經過了時

20、間Δt，轉動角速度從ω1變成了ω2，則這個過程中角速度變化量為ω2-ω1，角加速度α=（ω2-ω1）/Δt，代入轉動定律公式中得到：M=I·α=I（ω2-ω1）/Δt，推導得出M·Δt= Iω2-Iω1。此式中的M·Δt是沖量矩，單位N·m·s；I·ω是動量矩（H），單位kg·m2/s。 作用在剛體上的沖量矩等于動量矩的變化。,,三、轉動定律的應用

21、1. 增大肌對關節(jié)的拉力矩 通過增加肌收縮力和肌力臂，能增加角速度和角加速度。,粗壯的大腿肌具有較大的力量和力臂 能產生較大的角速度和角加速度,2. 減小轉動慣量 由?M=I·α可以看出，當肌力矩一定時，減小環(huán)節(jié)對軸的轉動慣量，可以達到增大轉動角速度或角加速度的目的。 短跑時需折疊大、小腿，以減小下肢對髖關節(jié)轉動軸的轉動慣量，以便快速向前擺腿。,LOREM IPSUM DOLOR,,自由體操騰空,,,第五

22、節(jié) 骨與關節(jié)生物力學,LOREM IPSUM DOLOR,一、骨的概述（一）骨的組成和分類顱骨29塊軀干骨51塊四肢骨126塊,LOREM IPSUM DOLOR,2. 骨的分類 按照形態(tài)特點可分為：長骨、短骨、扁骨和不規(guī)則骨,LOREM IPSUM DOLOR,（二）骨的結構骨的器官水平結構 以長骨為例，骨的構造包括骨質、骨膜、骨髓三部分。,LOREM IPSUM DOLOR,2. 骨的微細結構長骨骨皮質

23、的主要結構單位哈佛系統(tǒng)又稱為骨單位,LOREM IPSUM,3. 骨的血管、淋巴管和神經,4. 骨組織 由細胞和細胞間質組成骨組織細胞包括： 骨細胞 成骨細胞 骨原細胞 破骨細胞骨基質分為 有機質 無機質,LOREM IPSUM DOLOR,（一）骨受載荷形式,二、骨的生物力學特征,,（1）拉伸：拉伸載荷是自骨的表面向外施加相等而反向的載荷，在骨內部產生拉應力和拉應變。例，單杠懸垂時

24、上肢骨的受力。,,（2）壓縮：壓縮載荷為加于骨表面的向內而反向的載荷，在骨內部產生壓應力和壓應變。例，舉重舉起后上肢和下肢骨的受力。,上肢壓縮力,,（3）彎曲：使骨沿其軸線發(fā)生彎曲的載荷稱為彎曲載荷。在彎曲負荷下，骨骼內不同時產生拉應力（凸側）和壓應力（凹側）。在最外側，拉應力和壓應力最大，向內逐漸減小，在應力為零的交界處會出現(xiàn)一個不受力作用的“中性軸“。例，負重彎舉（杠鈴）時前臂的受力。,,小腿彎曲力,,（4）剪切：標準的剪切載荷是一

25、對大小相等，方向相反，作用線相距很近的力的作用，有使骨發(fā)生錯動（剪切）的趨勢，在骨骼內部的剪切面產生剪應力。例，人體運動小腿制動時，股骨髁在脛骨平臺上的滑動產生剪應力。,,（5）扭轉：骨骼受到外力偶的作用而受到的載荷，在骨的內部產生剪應力。如作轉身動作時，下肢骨受到的扭轉作用。在生理狀態(tài)下，扭轉載荷常見于前臂、脊柱的旋轉與骨關節(jié)的旋轉活動中。例，擲鐵餅出手時支撐腿的受力。,骨力學包含兩個最基本元素，即應力和應變1.骨的應力概念

26、：當外力作用于骨時，骨以形變產生內部的阻抗以抗衡外力，即是骨產生的應力。特點：應力的大?。阶饔糜诠墙孛嫔系耐饬εc骨橫斷面面積之比，單位為Pa=N/m2，即牛頓/平方米。,（二）骨的應力與應變,,2.應變概念：骨的應變是指骨在外力作用下的局部變形。其大小等于骨受力后長度的變化量與原長度之比，即形變量與原尺度之比。一般以百分比來表示(下圖)。,3.應力-應變曲線,表示應力和應變之間的關系?！?應力-應變曲線分成兩個區(qū)：彈性變形區(qū)

27、和塑性變形區(qū)?！　　?在彈性變形區(qū)內的載荷不會造成永久性形變（如骨折）?！?彈性區(qū)末端點或塑性區(qū)初始點稱屈服點。　 該點對應的應力是產生骨最大應力的彈性形變，亦稱為彈性極限?！?塑性區(qū)：屈服點以后的區(qū)?！?此時已出現(xiàn)結構的損壞和永久變形?！?當載荷超過彈性極限后，骨發(fā)生斷裂即骨折。,★導致骨折所需的應力叫骨的最大應力或極限強度?！镌趹?應變曲線彈性區(qū)的斜率叫彈性模量或楊氏模量(Young‘s Module

28、s)，表示材料抗形變的能力?！　∫话愣?，彈性模量是一個常數(shù)?！　椥阅Ａ吭酱?，產生一定應變所需的應力越大。,青少年期骨折愈合期,（三）機械應力對骨生長的影響,沃爾夫（Wolff）定律 ：物理功能的改變引起骨的吸收和形成，因此改變了骨的內部結構和外部的幾何形狀。 塑形與重建是骨組織中對機械應力作用響應的兩個主要生理過程。,骨組織的更新,長跑運動員拇外翻,LOREM IPSUM DOLOR,（四）骨疲勞,疲勞性

29、骨折概念：指骨長期承受反復負荷(如長時間的行軍、鍛煉)后發(fā)生微損傷而逐漸形成的骨折。它是由于損傷的不斷積聚，超過機體的修復能力，繼而產生疲勞性骨折或應力性骨折。　　　　　　特點：骨折和修復同時進行。,（1）疲勞性骨折的好發(fā)部位　　　最常發(fā)生在下肢骨，　　其次是上肢骨和軀干骨?！　∠轮枪钦劭砂l(fā)生在股骨、髕骨、腓骨、　　 脛骨、內踝、距骨、跖骨、跟骨等處，其中，以脛骨、腓骨和跖骨更多見。,（2）疲勞性骨折的生物力學原理　　

30、 有關疲勞性骨折的發(fā)生原因，　 目前不同學者持有不同的觀點?！?概括起來有以下幾種觀點：　 其一，肌疲勞是導致疲勞性骨折發(fā)生的一個重要原因?！?其二，肌牽拉是導致疲勞性骨折另一原因?！?其三，骨鈣質減少?！?其他，維生素、酸中毒以及生物電現(xiàn)象等均可能與疲勞性骨折有關。,（五）影響骨力學性能的其他因素 1．骨的大小和形狀 2．骨折愈合 3．手術因素 4．衰老與骨質疏松,阻力點在支點和動力點之間的

31、杠桿為省力杠桿。支點在阻力點與動力點之間的杠桿為平衡杠桿。 動力點在支點與阻力點之間的杠桿為速度杠桿，屬于費力杠桿。,（六）骨的杠桿作用,三、關節(jié)生物力學,（一）骨連結1. 直接連結 2. 間接連結 又稱關節(jié)3. 關節(jié)的類型,LOREM IPSUM DOLOR,（二）關節(jié)的生物力學1．關節(jié)穩(wěn)定性 （1）關節(jié)面形狀（2）韌帶強弱（3）骨骼肌力量 （4）關節(jié)負壓 2．關節(jié)的力和力矩 3. 關節(jié)軟骨生物力學特性,小結

32、,機體在外力和內力共同作用下，產生能使關節(jié)轉動和整體運動的力矩，從而完成各種動作。無論是完成各種動作還是維持一定的身體姿勢，必須保持平衡，為了增加身體的穩(wěn)定性，通常采用增加穩(wěn)定面和降低身體重心的方式。 轉動運動是人體的特殊運動形式。當物體受到合外力矩的作用而發(fā)生轉動時，則轉動體的轉動慣量乘以角加速度的乘積等于作用于轉動體的合外力矩。外力矩越大，作用時間越長，剛體轉動狀態(tài)變化越大。 骨的結構特點決定