运动生物力学的原理及应用

２０１５年６月　第３４卷第６期　湖北体育科技　Ｈｕｂｅｉ　Ｓｐｏｒｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｊｕｎ．２０１５　Ｖ０１．３４　ＮＯ．６　●运动生物力学●　常见运动鞋特性及运动生物力学在制鞋的应用　Ｃｏｍｍｏｎ　Ｓｎｅａｋｅｒｓ　Ｆｅａｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｐｏｒｔｓ　Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｉｎ　Ｆｏｏｔｗｅａｒ　尹荣荣　．李树屏　ＹＩＮ　Ｒｏｎｇｒｏｎｇ　，ＬＩ　Ｓｈｕｐｉｎｇ２　摘要：通过文献资料法总结常用运动鞋性能的一般特性与专项特性．以及运动生物力学在制鞋领域　的应用，给运动员在选择合适的运动鞋提供依据，同时为运动鞋设计提供参考依据。　关键词：运动鞋；运动生物力学；特性　中图分类号：Ｇ８０４．６文献标识码：Ａ文章编号：１００３—９８３Ｘ（２０１５）０６—０５２３—０４　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｏｍｍｏｎｌｙ　ｕｓｅｄ　ｓｈｏｅｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ，ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｓｐｏｔｓ　ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｉｎ　ｓｈｏｅｍａｋｉｎｇ．Ｉｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ａｔｈｌｅｔｅｓ　ｉｎ　ｃｈｏｏｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｉｇｈｔ　ｓｐｏｔｓ　ｓｈｏｅｓ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ　ｉｔ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｐｏｔｓ　ｓｈｏｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｐｏｒｔｓ　ｓｈｏｅ；ｓｐｏｒｔｓ　ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ；ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　运动鞋的设计和创新技术日异月新。而运动鞋的核心就　在于运动鞋的功能性特征，在运动鞋的功能性特征上常用运　动鞋具有其一般特性和专项特性。制鞋材料、鞋的结构和运动　功能问题，都是运动生物力学的研究的主题和核心，故运动生　物力学在制鞋领域中扮演着举足轻重的地位。　１　常用运动鞋的一般特性　常见的运动鞋可以分为球类运动鞋和田径运动鞋两大　类…。运动鞋的功能性主要表现在它不仅保护运动员不受损　伤，同时还要提高运动员的成绩。所以球类运动鞋和田径运　动鞋都体现了运动鞋的一般特性。　１．１　轻量化　运动员在运动的过程中进行各种技术动作消耗体能，要　想获得好的运动成绩同时防止运动损伤，就要求尽量减少自　身体重外的负荷。有研究表明，鞋的重量每增加１％．人体运动　的体能消耗将增加３％一ｌＯ％　。故鞋重成了主要的考虑因素，　要在确保运动需要的前提下减少鞋的重量．运动鞋是必须要　收稿日期：２０１５—０３—１７　第一作者简介：尹荣荣（１９９１一），女，湖北咸宁人，在读硕士，研究方向：　运动生物力学．　作者单位：１．湖北大学体育学院运动人体科学。湖北武汉４３００６２；２．　动作控制及发展研究中心。湖北武汉４３００６２　１．Ａｔｈｌｅｔｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　Ｃｏｌ—　ｌｅｇｅ，Ｈｕｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ　Ｈｕｂｅｉ，４３００６２；２　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｍｏｔｏｒ　Ｃｏｎｔｍｌ　ａｎｄ　Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ，Ｈｕｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ　Ｈｕｂｅｉ．４３ｏｏ６２　有轻量化的特征。　１．２透气、透水性　运动鞋的透气、透水性是影响舒适性的一个重要因素。研　究表明，运动鞋内的鞋内温度和湿度越低则舒适性越好［３］。因　此，必须要有良好的透气性和透水的环境。运动员在激烈运动　的过程中，全身都会分泌很多的汗液（即无机盐），如果运动鞋　的透气透水性较差，长时间会导致鞋内温度升高＿４＿，脚分泌的　汗液滞留在鞋腔内过度潮湿，影响鞋内的环境，发生新的化学　反应　，运动员感觉不适．出现脚臭，严重时还发生脚在鞋内打　滑现象，直接影响到运动员的技术动作的发挥从而影响比赛　成绩，同时鞋内打滑也会增加摔跤等现象的发生造成脚部的　损伤。　１．３弹性　鞋的反弹力是用来帮助运动员更好的将其反弹力转换到　运动中提高运动成绩。弹性好的运动鞋可以提高能量的回输，　减少着地时的冲击力，从而加快运动速度和增加跳跃的高度。　但因运动的需求不同。其要求弹性的程度也不一样，例如篮球　运动队鞋的弹性要求就特别高。因为篮球的跳跃动作多，如果　鞋的弹性不好．则会影响跳跃的高度以及增加落地时脚部的　损伤率。　１．４减震性　美国材料测试协会ＡＳＴＭ对运动鞋的减震功能定义为：　借助外力作用时间的增长，使冲击力峰值的能量降低，撞击过　程的持续时间越长，形变量越大．减震缓冲功能越好［６＿。在运动　过程中的运动量大而激烈，会和地面产生撞击。实验证明，脚　后跟和前掌与地面的冲击力对人的关节、躯干和大脑的危害　都很大，是造成运动损伤的一部分因素。利用减震的运动鞋可　以减轻运动过程中对人体的冲击程度，起到减震效果．保护足　・５２３・

2019年(第9卷)第01期运动人体科学

12当代体育科技(Contemporary Sports Technology)DOI：10.16655/ki.2095-2813.2019.01.012

体育教学与运动训练中运动生物力学的应用分析①

刘剑(浙江大学 浙江杭州 310058)

摘 要：在科学技术不断发展的今天，运动生物力学也获得了一定进步，各类新材料、新技术的应用使得运动生物力学的

测试越来越精准、快速，尤其是计算机技术的应用更加快了运动生物力学自动化发展的进程。将运动生物力学应用到体育教学与运动训练中，不仅可强化体育教学质量，提高竞技体育的训练效率，还将推动我国大众体育的科学化发展。基于此，本文从应用运动生物力学的意义入手，分别就其在体育教学、运动训练中的应用进行了分析。关键词：体育教学 运动训练 运动生物力学中图分类号：G8 文献标识码：Ａ 文章编号：2095-2813(2019)01(a)-0012-02

作为一门新兴的学科，运动生物力学的发展时间并不长，但简而言之其是一门基于生物学、物理学等原理，采用先进科学测量技术研究人类在体育运动中身体机能变化规律的学科。其涉及到的内容与知识十分广泛，有解剖学、应用数学、体育运动理论、力学等。运动生物力学的快速发展，使其成为了众多国家运动训练中必备的分析手段之一，促进了竞技体育的发展。

1 应用运动生物力学的意义

在物理环境下，人体无论是处于静止的状态，抑或是处于激烈的体育运动中，都是在力的作用下获得的这种状态。也就是说无论何种动作，都遵循着运动生物力学的原理。若将这种原理应用到体育教学与运动训练中来，将运动员的动作看作各种生物力学问题，将使学生对自身的运动动作有准确的认识和把握，从而有效提高学习效果。在传统的体育教学和运动训练中，教师对学生只是单纯身体动作上的指导，换句话说就是用肢体来表达体育，这种方式使学生只知道做动作而不知道为什么要做这种动作，学生对体育的学习缺乏科学性理解，增加了训练的盲目性。运动生物力学是一种研究运动与身体受力关系的学科，存在于运动员的每一个动作之中，而运动员的这种动作可通过牛顿力的数值和方向来进行定量分析，进而解决传统体育教学与运动训练过程中，不注重体育科学知识传授的情况。将运动生物力学应用到体育教学和运动训练中将促进体育教学与运动训练由“训练型”向“知识型”的转变，进而在实现学生体育成绩提高的同时，让学生运动过程中的安全性得到有效保护，促进体育竞技水平的提高。

运动人体科学　２０１　４年（第４卷）第２５期　浅析足球抽射技术中的运动生物力学原理　刘晓菲’　李糅ｚ　（１．四川建筑职业技：术学院；２．成都体育学院　四川成都　６１　００００）　摘要：在对问题认真细致分析的思维框架里（基于劳年的教学实践），通过查阅文献资料，并采用访问运动生物力学相关专家的方法，研　究了足球大力抽射技术中的动作特点，并归纳总结出其中所运用到的运动生物力学原理。为日常的足球教学．训练以及比赛起到一定的　理论参考的价值。　关键词：足球　运动生物力学　抽射技术　中图分类号：Ｇ８４３　文献标识码：Ａ　文章编号：２０９５－－２８１３（２０１４）０９（ａ）一００ｌ５－０２　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｃａｒｅｆｕｌｌｙ　ｔｈｉｎｋｉｎｇ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ，Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄ　ｖｉｓｉｔ　ｓｐｏｒｔｓ　ｂｉ０ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｅｘｐｅｒｔｓ　ｍｅｔｈｏｄ，Ｔｈｅ　ｆｏｏｔｂａｌｌ　ｃａｔｃｈ　ｓｈｏｏｔｉｎｇ　ｐｒｏｗｅｓｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｆｔｅｒ　ａｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ。Ａｎｄ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｓｐｏｒｔｓ　ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ．Ｆｏｒ　ｏｕｒ　ｄａｉｌｙ　ｆｏｏｔｂａｌｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ，ｔｒａｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｍａｔｃｈ　ｐｌａｙ　ａ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｖａｌｕｅ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：Ｆｏｏｔｂａｌｌ　ｌ　Ｓｐｏｒｔｓ　ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ　Ｉ　Ｓｈｏｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　足球抽射技术是足球运动中最重要的环节，做好这一环节，对　于比赛结果起到至关重要的作用。基于对国内外文献的查阅和归　纳总结，目前对于足球文献的研究，大多停留在教学、训练和技战　术上，对于足球接球后大力抽射技术研究较少，而从运动生物力学　方面进行分析的研究更少。　在教练员的教学和运动员的训练过程中，我们有必要从运动　生物力学角度对足球接球后大力抽射技术进行分析。　１研究方法　１．１文献资料法　通过查阅文献资料、超星数字图书馆等文献资料库以及利用　百度、ｇｏｏｇｌｅ搜索引擎获得文献资料，掌握目前对足球接球后大力　抽射技术的研究进展，确定本课题的研究方法与内容。　１．２专家访谈法　访问运动生物力学专家，了解运动生物力学原理在足球接球　后大力抽射技术中的运用。　１．３归纳总结法　结合足球接球后大力抽射技术中的动作特点，归纳总结出其　运动生物力学原理。　２结果与分析　２．１动量定理在足球接球后大力抽射技术动作中应用　动量定理定义为：物体动量的增量等于它所受舍外力的冲量　Ｒ［ＩＦｔ＝△ｖｍ。ｍ表示物体的质量，ｖ、ｖ’表示物体的初速度、末速度，　Ｆ（ｔ）表示物体所受的冲量，则得Ｆ（ｔ）＝ｍｖ。＿ｍｖ。　根据动量定理，为了把球踢得更远，就要给球以强大的冲力，　还要求接触（撞击）球的时间要短。踢球前大腿先后摆，小腿屈膝，这　些动作既有省力因素又可以加大踢球时的工作距离，延长肌肉的　作用时间。踢球前大腿后摆拉长了屈大腿肌肉（髂腰肌）的长度，提　高该肌肉的兴奋性有利于增大肌肉力量，使大腿带小腿，加大髋关　节转动角速度。踢球前屈膝拉长了股四头肌，提高该肌兴奋性，有　利于伸膝踢球时增大股四头肌肌力，从而加大膝关节转动角速度，　最终提高足球运动的线速度。如若是接触球的时间短，就有利于给　球较大的冲力。由于在比赛场上有很多踢球的技术动作是固定不　变的，因此只是通过摆腿幅度的大小和速度的快慢采掌握出球后　球运行距离的远近。　２．２动能定理在足球接球后大力抽射技术动作中应用　动能定理为：外力对物体做的总功等于物体动能的变化。ｖ、ｖ’　表示物体的初速度、末速度，ｓ为物体的位移，ＦＳ表示对物体所受的　功，则得：ＦＳ＝１／２ｍｖ　一ｌ／２ｍｙ　。　足球从空中飞行过来时候，速度很大，如果把足球看作一个飞　行的物体，足球开始接触脚背的速度为ｖ，此时速度很大，最终停留　在脚背上速度为ｖ’，不管何时接球，足球的动能改变量是相对不变　的。运动员为了更稳的接住高速飞行过来的足球，一般需要提前伸　脚去迎球，这样延长了足球接触脚背的时间，从动能定理来解释，　增加了脚背对足球的做功距离ｓ，在足球动能改变量相对一定的情　况下（１／２ｍｙ　一１／２ｍｙ　）就会减小足球对脚背的冲击力，这样接球　就会更加容易。　２．３关节顺序原理在足球接球后大力抽射技术动作中应用　人体在做体育动作时，都是大关节带动小关节，大肌肉群带动　小肌肉群的。这样可以更加经济和有效的动用人体的能量。　人体大关节首先产生活动，因为大关节的肌肉生理横断面积　大，产生的肌肉力矩大，因此，在人体运动过程中，它能首先克服力　矩，使环节首先产生运动。大关节带动小关节，指人体运动时依据　关节的大小，表现出一定的先后顺序，当然小关节活动非常重要，　小关节大多数为人体的支撑点，小关节的强弱直接决定完成动作　时支撑的稳固性，如果小关节肌肉力矩强大，可缩短完成动作的时　间，从而提高动作的速度。　针对“大关节首先活动”我们还可以这样理解，我们的身体分　为上肢和下肢，对于下肢关节来说有髋关节、膝关节和踝关节，这　三个关节的作用无外乎两点，其一是形体姿态的控制　其二就是完　成身体移动。因此可以说髋关节首先运动是完成身体移动的先决　条件，因此踢球时候应该首先活动髋关节，再带动大腿、小腿、踝关　节。最后用脚背踢球。　２．４转动惯量在足球接球后大力抽射技术动作中应用　对于一个质点，Ｉ＝ｍｒ：，其中ｍ是其质量，ｒ是质点和转轴的垂直　距离。这个定义只适用于ｒ为恒定值的计算。准确的定义要用积分　式子，是对ｒ　ｄｍ的积分。　‘　为了更加直观和简单的分析问题，近似的把脚背踢球点看做　转动的点，转动半径Ｔ是脚背踢球点到髋关节的距离，其中ｍ为踢　球腿的质量。　以髋关节冠状轴为转轴摆腿踢球时，大小腿折叠摆动要比直　腿摆动速度快，因为大小腿折叠摆动时质量分布相对靠近转轴，转　动惯量小，转动力矩就会变小，从而转动速速度就大，出脚快。这样　在比赛中就争取到了时间，占据了主动。　运动员在接球的时候，应该先抬大腿，折叠小腿再伸小腿，用　脚接住球，抽射时候，应该先折叠大小腿，目的是减小下肢的转动　半径，减小转动力矩。　２．５动量矩守恒原理在足球接球后大力抽射技术动作中应用　动量矩是描述物体转动状态的量，即物体中所有质点的动量　对一点或一轴之矩的和。而动量矩守恒是指：质点系不受外力作用　或所受全部外力对某定点或定轴的主矩始终等于零时，则质点系　对该点或该轴的动量矩（即角动量）保持不变，又称角动量守恒。　在足球踢球过程中，以髋关节为转动轴，人体其他部位都相对　这一个转动轴做转动。从动量矩守恒定律看，在摆腿的同时，上臂　会从下经斜前方往上挥动，这不只是简单的习惯性为了身体平衡　当代体育科技（Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ　Ｓｐｏｒｔｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　１　

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运动生物力学在体育教学与运动训练中的应用

作者：李强

来源：《现代交际》2016年第02期

[摘要]本研究从运动学、动力学等方面对运动生物力学测试方法在体育教学与运动训练中的应用进行阐述，旨在说明此方法在教学及训练中的重要性，以期为体育教师和教练员在教学与训练中提供有价值的参考。

[关键词]测试方法 运动学 动力学 应用

[中图分类号]G804.6 [文献标识码]A [文章编号]1009-5349（2016）02-0143-02

运动生物力学是研究人类从事体育运动技术力学规律的一门学科。它应用力学、数学、解剖学、生理学以及体育运动技术理论来研究各项运动技术的特点和规律，是广大体育教师、教练员、运动员必须掌握的一门基础理论科学。

一、运动生物力学的研究内容

（一）基础理论研究

通过基础理论研究，总结运动生物力学中带普遍性、规律性的理论，包括运动生物力学的定理、公理等。

（二）人体运动器官力学特性的研究

更好地揭示和掌握人体运动器官的力学特性，更科学有效地进行各项运动技术的生物力学研究以及为防止运动创伤等提供理论依据。

（三）各项运动技术的生物力学研究

揭示运动技术实质，验证动作技术的科学性、先进性和合理性。为探索和创新动作，为最优化的训练方案、最有效的训练手段，包括选才和预测运动成绩提供理论依据。

（四）研究运动器械的力学特性

对跑道、运动装备、投掷器械的力学特性的研究特别是随着材料科学技术的发展，改进和研制各种新型器械和装备，直接为提高运动技术服务。 龙源期刊网

（五）运动生物力学研究方法和测试手段的研究

科学技术的飞速发展，尤其是电子技术的日新月异，不断为运动生物力学研究提供新技术、新手段，固而必须重视方法学的研究。各项体育运动成绩不断提高，运动技术的不断更新，为运动生物力学的研究和发展开辟了广阔的前景，运动生物力学的发展又促进了各项体育运动攀登新的高峰。