运动生物力学_流体力学.34页PPT

运动生物力学的概念。 运动生物力学的任务。 几个基本概念：动作技术原理、最佳动
作技术。
参考书
1、李良标等，运动生物力学，北京体育大学 出版社。
2、詹姆斯.海著 孙成敏译，运动技术生物力 学分析。
3、苏品等，体育运动与力学，人民体育出版 社出版。
社。
3、结合运动员个人的身体形态、机能和运 动素质等的特点，研究适合个人的最佳 动作技术方案和进行动作技术诊断
最佳动作技术是考虑了人体的身体形态、 机能、心理素质和训练水平来应用一般 技术原理，以达到最理想的运动成绩。
例如：跳远
跳远运动员起跳角为18—23° 鲍威尔：助跑速度11m/s，23.1°，8.95m； 刘易斯：助跑速度11m/s，18.3°，8.91m;
解决的手段
跳高动作的模拟与仿真
修改前的动作 修改后的动作
为设计、改进训练方法提供依据
短跑运动员易造成大腿后群肌肉拉 伤。一般训练方法：拉橡皮筋、跳 深等；
提出的改进方法是环节末端负重训 练。
为大众进行科学健身提供依据
运动对老年人稳定性的影响 运动对老年人大脑震荡的影响
为大众的工作、生活环境进行 生物力学诊断
（2）撑竿跳高竿的演变对提高成绩的影响。
泳衣的改进
仿鲨鱼皮泳装
跑鞋的设计
运动鞋的制作
二、运动生物力学的任务
6、为改进训练方法提供依据
短跑运动员易造成大腿后群肌肉拉 伤。一般训练方法：拉橡皮筋、跳深等； 提出的改进方法是环节末端负重训练。
设计高、难、新的动作技术
2019年的奥运科技攻关课题：蹦床 高、难、新动作的设计与训练等
二、运动生物力学的任务
2、研究各项动作技术，确立动作技术原理， 建立动作技术模式来指导教学和训练

注意：恒定流中流线与迹线重合
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四、流管、流束、元流、总流、过流断面
1.流管
在流场中通过任意不与流线重合的封闭曲线上各 点作流线而构成的管状面。
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2.流束
流管内所有流线的总和。流束可大可小，视流管 封闭曲线而定。
•元流：流管封闭曲线无限小，故元流又称微元流束。 •总流：流管封闭曲线取在流场边界上，总流即为许
x
y方向:
my
(uy ) dxdydz
y
z方向:
mz
(uz ) dxdydz
z
据质量守恒定律：
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单位时间内流进、流出控制体的流体质量差之总和
等于控制体内流体因密度发生变化所引起的质量增
量 即
mx
my
mz
t
dxdydz
将 mx、my、mz 代入上式，化简得：
(ux ) (u y ) (uz ) 0
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1.伯努利方程的物理意义
• z mgz : 单位重量流体所具有的位能。 mg
•
p
mg
p
/
mg
:
单位重量流体所具有的压能。
•z p :
单位重量流体所具有的势能。
•
u2 2g
1 2
mu
2
/
mg
:
单位重量流体所具有的动能。
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• z p u2 : 单位重量流体所具有的机械能。
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§3-1 描述流体运动的方法
一、拉格朗日方法
1.方法概要
着眼于流体各质点的运动情况，研究各质点 的运动历程，并通过综合所有被研究流体质点的 运动情况来获得整个流体运动的规律。

球类运动中的传球、射门、控球等技术需要 运用运动生物力学原理，以提高球的准确性 和力量。
详细描述
在足球、篮球、网球等球类运动中，传球、 射门、控球等技术的准确性和力量对比赛结 果有着重要影响。通过运用运动生物力学原 理，运动员可以优化技术动作，提高球的准 确性和力量，从而提升比赛表现。
04
运动生物力学的研究方 法与技术
运动生物力学的未来发展方向
高精度测量技术的发展
随着科技的发展，未来将有更精确的测量设备和方法，以更深入地 探索运动中的生物力学机制。
多学科交叉融合
运动生物力学将与生理学、心理学、材料科学等多学科进一步交叉 融合，为运动训练和损伤预防提供更全面的理论支持。
个性化训练的重视
随着对个体差异认识的加深，运动生物力学将在个性化训练方案制 定中发挥更大的作用，提高训练效果和预防运动损伤。
人体运动的动力学与静力学
01
人体运动的动力学与静力学是 运动生物力学的重要组成部分 ，它们涉及到人体运动的力学 特性和机制。
02
动力学研究人体运动中的力、 力矩和加速度等物理量之间的 关系，以及这些关系对人体运 动的影响。
03
静力学研究人体在静止状态下 的受力情况和平衡状态，以及 这些状态对人体姿势和稳定性 的影响。
02
运动生物力学的核心概 念
运动生物力学的基本原理
运动生物力学是一门研究生物体运动规律和运 动机制的科学，它涉及到生物学、物理学、化 学等多个学科领域。
运动生物力学的基本原理包括牛顿第三定律、 动量守恒定律、能量守恒定律等物理学原理， 以及骨骼、肌肉、关节等生物学原理。
这些原理在运动生物力学中发挥着重要的作用 ，为研究人体运动提供了理论基础。
详细描述

流体静力学基本方程
• 通过无限小面积 A到自由面(仅受到大气压强作用 液面)作一垂直圆柱体，柱体高为H。圆柱体处于 平衡状态。 • Z轴方向的平衡条件为：FZ=0 • P*d*A-P0*d*A-r*h*d*A=0 • 简化得 P=P0+r*h P=P0+p*g*h • 根据公式，当H增加时P上升， 其斜率大小由密 度R决定。 • 两液面压强差为P-P0=p*g*h
流体静力平衡及平衡的稳定性
• 1．人体和运动器械的浮态。 • 液体中的物体，受到两个力作用，即G和F 浮。 • 当G>P时，物体将沉入液体底部，即为沉 体。 • 当G=P时，物体全部没入液体，为潜体。 • 当G<P时，物体半沉半浮在液石上，即为 浮体。 • 人体或器械多处于浮体和潜体中，浮体例 如:游泳、赛艇、帆板等。
流体静力学
• 一、流体压强 : • 作用在流体单位面积上的压力强度，用P 表示，即P=F/A，其单位是N/M^2， F为总 压力，A为总压力的作用面积。 • 二、流体静压强 当流体处于静止或相对静止时，流体的压 强称为流体静压强.
流体静压强的特性
• 特性一：流体静压强的方向必沿作用面的 内法线方向。 • 特性二：流体静压强的数值与作用面在空 间的方位无关，即任一点的压强无论来自 何方均相等。
• 根据动能定理，外力在Δt 时间内做功之和等于此 段时间内能量的增量 ，外力在Δt时间内对1-2和34断面间的流体所作功有： • 1、压力做功: P1ΔA1 v1Δt-p2ΔA2 V2Δt=QΔt(p1-p2) • 因为流体是连续的，且不可压缩,所以 • Q=ΔA1V1=ΔA2V2 • 负号表示力的方向与运动方向相反。 • 2、重力做功:因为是定常流，故为: • rΔA1ΔL1(h1-h2)=rQΔt(h1-h2) • 式中ΔA1ΔL1=ΔA2ΔL2=ΔA1V1Δt=QΔt

总压 静压 动压
设(待测流体密度) (压强计工作量密度)：
U形皮托管
总压与静压之差：
pApB()gh
pA
pB
1 2
v2
v 2gh( )
4. 升力 取两根很薄的流管，分别紧贴机翼的上下两侧。
不计高度差：
12v02p012v22p2, 12v02p012v32p3
p3p2
1
2
v22v32
§1.3.4 实际流体的运动规律 P 21
一、粘滞流体的能量方程 流体流动时相邻两层之间会产生沿切向的阻
碍相对滑动的力，称为内摩擦力（或粘滞力）
当有粘性的流体流过固体 表面时，靠近固体表面的一层 流体附着在固体表面上不动， 而流层之间由于粘滞力而层层 牵制，造成各层流速不同。
气体的粘度随温度升高而增 大，液体的粘度随温度升高而减 小。
各条流线不会相交
流管： 流体内由流线所围成的细管
二、定常流动和不定常流动 不定常流动： 流场中各点的流速是该点的位置和时间的函数:
vv(x,y,z,t) 流线的形状随时间而变
流线与流体单个质元的运动轨迹并不重合
定常流动：
流场不随时间而变化: vv(x,y,z)
流场中任一固定点的流速、压强和密度等都 不随时间变化
§1.3.1 流体运动的描述
一、流场、流线和流管
流体的流动性
各部分质元的运动情况都不同
• 欧拉法： 处理流体的运动问题时，考察流体所在的空
间中各点，研究流体的各质元在流经这些点时 所具有的速度、密度和压强等，以及这些量随 时间的变化关系。
流体速度场（流场）： 在流体运动过程的每一瞬时，流体在所占据 的空间每一点都具有一定的流速。－ 矢量场 流线（流场中一系列假想的曲线） 每一瞬时流线上任一点的切线方向，和流经该点 的流体质元的速度方向一致。

措施。
05
流体流动的湍流与噪声
湍流的定义与特性
湍流定义
湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。 在湍流中，流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都 随时间与空间发生随机的变化。
湍流特性
湍流具有随机性、不规则性、非线性和非稳定性等特性。在 湍流中，流体的速度、方向和压力等都随时间和空间发生变 化，形成复杂的涡旋结构。
环境流体流动与环境保护
要点一
环境流体流动
环境中的流体流动对环境保护具有重要影响。例如，大气 中的气流会影响污染物的扩散和迁移，水流会影响水体中 的污染物迁移和沉积等。
要点二
环境保护
通过对环境中的流体流动进行研究和模拟，可以更好地了 解污染物扩散和迁移规律，为环境保护提供科学依据。同 时，通过合理规划和设计流体流动系统，可以有效降低污 染物对环境的影响，保护生态环境。
04
流体流动的能量转换
能量的定义与分类
总结词
能量是物体做功的能力，可以分为机械能、热能、电能等。在流体力学中，主要关注的是机械能中的 动能和势能。
详细描述
能量是物体做功的能力，它有多种表现形式，如机械能、热能、电能等。在流体力学中，我们主要关 注的是机械能，它包括动能和势能两种形式。动能是流体运动所具有的能量，与流体的速度和质量有 关；势能则是由于流体所处位置而具有的能量。
流体流动噪声
流体流动过程中产生的噪声主要包括 机械噪声和流体动力噪声。机械噪声 主要由机械振动和摩擦引起，而流体 动力噪声主要由湍流和流体动力振动 引起。
噪声控制
为了减小流体流动产生的噪声，研究 者们提出了各种噪声控制方法，如改 变管道结构、添加消音器和改变流体 动力特性等。这些方法可以有效降低 流体流动产生的噪声。

1) 柏努利方程式说明理想流体在管内做稳定流动，没有
外功参加时，任意截面上单位质量流体的总机械能即动能、
位能、静压能之和为一常数，用E表示。
即：1kg理想流体在各截面上的总机械能相等，但各种形式的机
械能却不一定相等，可以相互转换。
2) 对于实际流体，在管路内流动时，应满足：上游截面处的总机械能大于下游截面
p g 1z12 u 1 g 2W g ep g 2z22 u g 2 2g hf
JJ
kgm/s2
m N
流体输送机械对每牛顿流体所做的功
令
HeW ge,
Hf ghf
p g 1z12 u 1 g 2H ep g 2z22 ug 2 2 H f
静压头
位压头
动压头 泵的扬程（ 有效压头） 总压头
处的总机械能。
22
3)g式中z各、项 的2u 2物、理 意p 义处于g 某Z 个1 截u 2 1 面2上的p 1流 W 体e本 身g Z 所2具u 有2 22 的 能p 量2 ; hf
We和Σhf： 流体流动过程中所获得或消耗的能量〔能量损失〕;
We：输送设备对单位质量流体所做的有效功;
Ne：单位时间输送设备对流体所做的有效功，即有效功率;
u2 2
u22 2
u12 2
p v p 2 v 2 p 1 v 1
Ug Z 2 u2 pQ eW e
——稳定流动过程的总能量衡算式 18
UgZ 2 u2pQ eW e
2、流动系统的机械能衡算式——柏努利方程
1) 流动系统的机械能衡算式〔消去△U和Qe 〕
UQ'e vv12pdv热力学第一定律
26
五、柏努利方程应用
三种衡算基准

3. 几种常见的外力
1） 重力W W=mg，其中g与海拔高度有关
根据万有引力定律： F引 = K (M m /R2 ) 其中，K 为常数；M为地球质量；m为人体质量；R为人
到地球球心的距离。 也可写成——
F = m (K M / R2 ) ； 所以F = W =mg 则：g = KM / R2 ~1/ R2
三、运动生物力学的学习要求
（一）掌握运动生物力学的基本知识 （二）掌握运动生物力学的基本原理 （三）熟悉运动生物力学的分析方法 1 系统分析的观点 2 发展变化的观点 3 对立统一的观点（矛盾的观点）
第一章 运动生物力学学科概述
第一节 运动生物力学学科演变（发展史）
一、萌芽时期
1 亚里斯多德 （Arislotless 公元前384-322）
《运动生物力学》
/教授 电话: /86186762
绪论
一、运动生物力学概念 1 运动
广义——自然界各种物质存在的形式，固 有属性
狭义——物质的机械运动 运动生物力学中的“运动”——运动动作
或体育动作
第一章 第一节
2 生物学 研究物体生命现象规律的科学 （1）生物体形态、结构、功能及其统一 （2）生物体内部之间的相互作用，局部和整体
波法
第三节 动力学(kinetics)参数
一、动力学参数 （一）力 * 力的三要素：大小、方向、作用点
α
1. 人体内力与外力 内力：人体内部各部分相互作用的力 例如：肌肉力，关节约束反作用力 外力：来自外界作用于人体的力
内力和外力是相对的（可以相互转化） 2. 人体受力特点
集中力（集中在一点上） 正心力（穿过质心） 分布力（分布在一个面上） 偏心力(离质心有一段距离)

〈1〉温度升高，液体的粘度减小（因为T上 升，液体的内聚力变小，分子间吸引力减 小；）
〈2〉温度升高，气体的粘度增大(气体的内 聚力很小，它的粘滞性主要是分子间动量 交换的结果。当T上升，作相对运动的相邻 流层间的分子的动量交换加剧，使得气体 的粘度增大。)
流体力学基本知识
6
三、流体的压缩性和热胀性
一、流体运动的基本概念
（一）压力流与无压流 1.压力流：流体在压差作用下流动时，流体 整个周围都和固体壁相接触，没有自由表 面。 2.无压流：液体在重力作用下流动时，液体 的部分周界与固体壁相接触，部分周界与 气体接触，形成自由表面。
流体力学基本知识
14
（三）流线与迹线
1.流线：流体运动时，在流速场中画出某时 刻的这样的一条空间曲线，它上面所有流 体质点在该时刻的流速矢量都与这条曲线 相切，这条曲线就称为该时刻的一条流线。
流体力学基本知识
26
四、沿程阻力系数λ和流速系数C的确定
沿程阻力系数λ 是反映边界粗糙情况和流态 对水头损失影响的一个系数。1933年尼古 拉兹表发表了其反映圆管流运情况的实验 结果，得出了一些结论：
1.层流区 2.层流转变为紊流的过渡区 3.紊流区
流体力学基本知识
27
（一）沿程阻力系数λ的经验公式 1.水力光滑区 2.水力过渡区 3.粗糙管区
2.迹线：流体运动时，流体中某一个质点在 连续时间内的运动轨迹称为迹线。流线与 迹线是两个完全不同的概念。非恒定流时 流线与迹线不相重合，在恒定流时流线与 迹线相重合。
流体力学基本知识
15
（二）恒定流与非恒定流
1.恒定流：流体运动时，流体中任一位置的 压强，流速等运动要素不随时间变化的流 动称为恒定流动。

流体阻力计算
利用流体动力学方程，可以计算 流体在管道中流动时的阻力，为 管道设计提供依据。
管道优化设计
通过分析流体动力学方程，可以 对管道设计进行优化，提高流体 输送效率，减少能量损失。
流体动力学方程在流体机械中的应用
泵和压缩机性能分析
流体动力学方程用于分析泵和压缩机的性能 ，预测其流量、扬程、功率等参数，为机械 设计和优化提供依据。
适用于不可压缩的流体。
方程意义
描述了流体压强与密度、重力加速度和深度之间的 关系。
Part
03
流体动力学基础
流体运动的基本概念
01
02
03
流体
流体是气体和液体的总称 ，具有流动性和不可压缩 性。
流场
流场是指流体在其中运动 的区域，可以用空间坐标 和时间描述。
流线
流线是表示流体运动方向 的曲线，在同一时间内， 流线上各点的速度矢量相 等。
能量损失的形式
流体流动的能量损失可以分为沿程损失和局部损失两种形式。沿程损失是指流体在流动过程中克服摩擦阻力而损 失的能量，局部损失是指流体在通过管道或槽道的局部障碍物时损失的能量。
Part
05
流体动力学方程的应用
流体动力学方程在管道流动中的应用
稳态流动和非稳态
流动
流体动力学方程在管道流动中可 用于描述稳态流动和非稳态流动 ，包括流速、压力、密度等参数 的变化规律。
变化的流动。
流体动力学基本方程
1 2
质量守恒方程
表示流体质量随时间变化的规律，即质量守恒原 理。
动量守恒方程
表示流体动量随时间变化的规律，即牛顿第二定 律。
3
能量守恒方程
表示流体能量随时间变化的规律，即热力学第一 定律。

取一微元正交六面体。
左侧面压力： 右侧面压力：
( p 1 p dx)dydz 2 x
( p 1 p dx)dydz 2 x
y
p 1 p dx 2 x
z
p 1 p dx 2 x
x
再考虑 x 轴方向的质量力，可列出 x 轴方向的平衡方程：
(p
1 2
p x
dx)dydz ( p
1 2
p x
ν× 106/ m2/s
1.792 1.007 0.661 0.477 0.367 0.296
空气
μ × 106/ Pa·s
ν× 106/ m2/s
17.09 18.08 19.04 19.97 20.88 21.75
13.20 15.00 16.90 18.80 20.90 23.00
§1.3 流体的物理性质
➢ 牛顿流体与非牛顿流体
牛顿流体； 塑性体； 伪塑性体； 宾汉体。
du dy
(du)n dy
du dy
(du)n
dy
0
du dy
➢ 粘性流体与理想流体
实际流体都具有粘性。理想流体就是忽略流体的粘性。
§1.3 流体的物理性质
1.3.4 液体的表面张力
➢ 表面ห้องสมุดไป่ตู้力现象演示
肥皂薄膜对棉线作用一个拉力。
温度/ K
291 291 293
σ× 103/ N/m
73 490 472
§1.3 流体的物理性质
➢ 表面张力产生的压差
由表面张力引起的液体自由表面两边 的附加压力差为：
p ( 1 1 ) R1 R2
➢ 毛细现象
当液体与固体接触时，如果液体分子 间的吸引力（内聚力）大于液体分子 和固体分子间的引力（附着力），则 液体抱成团与固体不浸润；当液体分 子内聚力小于附着力时，则液体就能 浸润固体表面。

h
3
流体力学的基础理论由三部分组成: 一是流体处于平衡状态时，各种作用在流体上的力之间关系
的理论，称为流体静力学； 二是流体处于流动状态时，作用在流体上的力和流动之间关
系的理论，称为流体动力学； 三是气体处于高速流动状态时，气体的运动规律的理论，称
为气体动力学。 工程流体力学的研究范畴是将流体流动作为宏观机械运动进
温度 t （℃）
20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 -257 -195 20
密度
（ kg/m3） 998
1026 1149
789 895 1588 1335 1258 678 808 850-958 918
72 1206 13555
相对密度 d
1.00 1.03 1.15 0.79 0.90 1.59 1.34 1.26 0.68 0.81 0.85-0.93 0.92 0.072 1.21 13.58
动 力 黏 度 104
（ P a·s） 10.1 10.6 — 11.6 6.5 9.7 —
14900 2.9
19.2 72 —
0.21 2.8
15.6
2021/1/10
h
14
表1-2
在标准大气压和20℃常用气体性质
气体
空
气
二氧化碳
一氧化碳
氦
氢
密度
（ kg/m3） 1.205 1.84 1.16
h
1
第一节 流体力学的研究对象和任务
目
第二节 流体的主要物理性质
录
第三节 流体的静压强及其分布规律
第四节 流体运动的基本知识
第五节 流动阻力和水头损失
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