运动生物力学第三章人体运动的动力学
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运动生物力学的基本理论概述运动生物力学biomechanics应用力学原理和方法研究生物体的外在机械运动的生物力学分支。
狭义的运动生物力学研究体育运动中人体的运动规律。
按照力学观点,人体或一般生物体的运动是神经系统、肌肉系统和骨骼系统协同工作的结果。
神经系统控制肌肉系统,产生对骨骼系统的作用力以完成各种机械动作。
运动生物力学的任务是研究人体或一般生物体在外界力和内部受控的肌力作用下的机械运动规律,它不讨论神经、肌肉和骨骼系统的内部机制,后者属于神经生理学、软组织力学和骨力学的研究范畴(生物固体力学)。
在运动生物力学中,神经系统的控制和反馈过程以简明的控制规律代替,肌肉活动简化为受控的力矩发生器,作为研究对象的人体模型可忽略肌肉变形对质量分布的影响,简化为由多个刚性环节组成的多刚体系统。
相邻环节之间以关节相连接,在受控的肌力作用下产生围绕关节的相对转动,并影响系统的整体运动。
对于人体运动的研究最早可追溯到15世纪达·芬奇在力学和解剖学基础上对人体运动器官的形态和机能的解释。
18世纪已出现对猫在空中转体现象的实验和理论研究。
运动生物力学作为一门学科是20世纪60年代在体育运动、计算技术和实验技术蓬勃发展的推动下形成的。
70年代中H.哈兹将人体的神经-肌肉-骨骼大系统作为研究对象,利用复杂的数学模型进行数值计算,以解释最基本的实验现象。
T.R.凯恩将描述人体运动的坐标区分为内变量和外变量,前者描述肢体的相对运动,为可控变量;后者描述人体的整体运动,由动力学方程确定。
这种简化的研究方法有可能将力学原理直接用于人体实际运动的仿真和理论分析。
由于生物体存在个体之间的差异性,实验研究在运动生物力学中占有特殊重要地位。
实验运动生物力学利用高速摄影和计算机解析、光电计时器、加速度计、关节角变化、肌电仪和测力台等工具量测人体运动过程中各环节的运动学参数以及外力和内力的变化规律。
在实践中,运动生物力学主要用于确定各专项体育运动的技术原理,作为运动员的技术诊断和改进训练方法的理论依据。
运动生物力学试题及答案一、单项选择题(每题2分,共20分)1. 运动生物力学是研究体育运动中人体运动规律及其与力学因素之间关系的科学,其主要研究对象是()。
A. 人体结构B. 人体运动C. 力学因素D. 体育运动答案:B2. 运动生物力学的研究方法不包括()。
A. 实验法B. 理论分析法C. 计算机模拟法D. 心理分析法答案:D3. 在运动生物力学中,人体被视为一个()。
A. 刚体B. 弹性体C. 流体D. 软体答案:A4. 运动生物力学中,下列哪项不是影响运动效率的因素()。
A. 技术动作B. 肌肉力量C. 心理状态D. 运动装备答案:C5. 运动生物力学研究中,力的作用效果不包括()。
A. 改变物体的运动状态B. 改变物体的形状C. 改变物体的颜色D. 改变物体的运动方向答案:C6. 在运动生物力学中,下列哪项不是运动技术分析的内容()。
A. 运动轨迹B. 运动速度C. 运动节奏D. 运动装备答案:D7. 运动生物力学中,下列哪项是描述人体运动的动力学参数()。
A. 位移B. 速度C. 加速度D. 以上都是答案:D8. 运动生物力学中,下列哪项不是描述人体运动的生物力学参数()。
A. 肌肉力量B. 关节角度C. 心率D. 血压答案:D9. 在运动生物力学中,下列哪项不是运动损伤的预防措施()。
A. 正确的技术动作B. 适当的运动负荷C. 充分的热身活动D. 过度的训练答案:D10. 运动生物力学中,下列哪项不是提高运动表现的途径()。
A. 提高肌肉力量B. 改善技术动作C. 增加运动负荷D. 优化运动装备答案:C二、多项选择题(每题3分,共15分)11. 运动生物力学的研究内容包括()。
A. 运动技术B. 运动训练C. 运动损伤D. 运动装备答案:ABCD12. 运动生物力学中,影响运动效率的因素包括()。
A. 技术动作B. 肌肉力量C. 运动装备D. 环境条件答案:ABCD13. 运动生物力学中,人体运动的动力学参数包括()。
运动生物力学知识点第一章概述知识点1: 生物力学——生物力学的定义;生物力学的分类。
知识点2: 运动生物力学——运动生物力学是研究体育运动中人体、器械机械运动规律的科学。
其主要内容有:运动生物力学的定义;运动生物力学任务;运动生物力学与生物力学的关系;运动生物力学的发展史知识点3: 运动生物力学主要测试手段——技术动作拍摄;运动图像解析;三维测力等。
第二章人体结构的力学特性知识点1: 骨的材料力学特性——骨的形态与结构;骨的伸展性和弹性;骨的成分特点知识点2: 骨的受力形式——骨的受力形式与力的大小对运动效果直接相关,对骨的形变与损伤也至关重要。
因此骨的压缩负荷、拉伸负荷、弯曲负荷、扭转负荷以及不同运动状态下骨的形变特点是本知识点的主要内容。
知识点3: 骨的结构与形态特点——骨的结构、形态特点与肌肉的配布以及运动中肌肉的发力直接相关,骨在外力作用下其应力、应变的概念、人体长骨的形态、骨中空的成因等本知识点的主要内容。
知识点4: 骨的功能适应性理论——是指骨对所担负工作的适应性。
本知识点中Wolff定律、Raach的见解以及机械应力与骨组织之间的生理平衡是其主要内容。
知识点5: 软骨的力学特性——软骨的渗透性、软骨的形变与速度关系以及椎间盘的蠕动性质。
知识点6: 关节结构的力学特性——身体不同部位的关节因其自身的结构不同而灵活性与稳固性存在差异。
而以灵活性为主的结构主要有:关节面软骨、滑液、滑膜皱襞、粘液囊、关节腔、关节内软骨等。
以稳固性为主的结构主要有:关节囊、韧带、关节腔内的负压等。
知识点7: 关节的运动幅度——是指在关节运动的方向上骨环节运动极限之范围。
因此影响关节运动幅度的因素是:第一,与相连两骨关节面的弧度差有关;第二,与关节周围软组织的特性有关;第三,与年龄、性别、运动项目和训练水平有关。
知识点8: 肌肉结构的力学模型——三元模型,该模型由收缩元、并联弹性元和串联弹性元三部分组成。
模型中收缩元产生的张力成为主动张力,并联弹性元产生的张力称为被动张力。
人体运动的生物力学分析生物力学是研究机械原理在生物系统中的应用的学科,通过运动学和动力学的分析,可以深入研究人体运动的机制和效果。
在本文中,将通过对人体运动的生物力学分析来探讨其原理和应用。
一、运动学分析1.1 关节运动轨迹关节是人体运动的重要组成部分,通过对关节运动轨迹的分析,可以了解人体肢体的运动规律和特点。
例如,当手臂做抛物线运动时,肩关节和手肘关节的轨迹会呈现出相应的曲线形状。
1.2 运动节律人体运动的节律性是运动学分析的重要内容之一。
通过对身体各部位运动的节律进行观察和测量,可以了解运动的协调性和优化效果。
例如,跑步时的双腿和手臂的协调运动,呈现出一定的节律性。
1.3 力的分析力的大小和方向对人体运动的影响至关重要。
通过力的分析,可以了解人体受力的来源和作用点,从而有效地调整和优化运动方式。
例如,踢足球时,腿部肌肉施加的力对足球的加速和运动方向具有重要影响。
二、动力学分析2.1 力的产生和传递力在人体运动中的传递可分为内力和外力。
内力是肌肉的收缩张力,通过骨骼和关节传递给外界。
外力包括重力和外界物体施加的力,通过身体的支撑面传递给骨骼系统。
通过对力的产生和传递的动力学分析,可以了解人体在运动中的力学特性。
2.2 动力学参数的测量动力学参数主要包括力、力矩、加速度和速度等。
通过测量和分析这些参数,可以了解人体在不同动作中受到的力量和力矩大小,从而评估和改善运动的效果。
2.3 运动的稳定性人体运动的稳定性是指在运动过程中保持平衡和稳定的能力。
通过动力学分析,可以了解人体在不同外力作用下的平衡调节和控制机制,并通过调整姿势和运动方式来提高运动的稳定性。
三、应用生物力学分析在许多领域中都有广泛的应用。
以下是一些应用领域的例子:3.1 运动损伤预防通过生物力学分析,可以了解运动的力学特性和受力情况,有效地识别和预防运动损伤的风险。
例如,在篮球比赛中,通过分析运动员跳跃动作的力学参数,可以判断其受伤的潜在风险。
课程名称:运动技术分析与诊断课次: 4 授课对象:运动训练专业教学目的:了解人体运动的运动学分析授课内容:1 人体运动中的力2牛顿运动定律及其在体育运动中的应用3动量定理和动量守恒定律在体育运动中的应用4人体转动力学在体育运动中的应用教学方法:讲授法教学重点:牛顿运动定律及其在体育运动中的应用教学难点:动量定理和动量守恒定律在体育运动中的应用时间安排:复习10分钟,导入5分钟,讲解65分钟,小结与答疑10分钟需用教具:多媒体设备人体运动中的参照系分为惯性参考性和非惯性参考系,是指以地球或相对于地球静止不动的物体、或作匀速直线运动的物体作为参考系。
非惯性参考系是指相对于地球作变速运动的物体,或者说以相对惯性参照系做加速运动的物体作为参照系。
人体运动中的坐标系主要有三种:一维坐标系,用ox直线表示,如100m 游泳就可近似的看成在一维坐标上运动。
二维坐标也叫平面坐标,由ox,oy构成的直角坐标系,如跳远中人体运动的重心轨迹就可近似的看成是在一个平面内的运动。
三维坐标,又称立体坐标,它由ox,oy,oz组成的立体空间坐标系,如投掷标枪,排球中的飘球就是典型的三维空间中的运动。
人体运动的分类可以分为质点、刚体和多刚体,目前我国采用的刚体类型主要有松田秀治人体模型、汉纳范人体模型。
我们在质点的研究中,主要是将质点看成是直线运动和曲线运动,直线运动分为匀速直线运动、变速直线运动和匀变速直线运动,其中自由落体和竖直上抛是匀变速直线运动中的两种特例。
质点的曲线运动主要有圆周运动和斜抛物体运动,斜抛物体中又分为平抛和斜抛。
在刚体的运动类型中主要有三种,平动、转动和复合运动,平动分为直线平动:如游泳运动员,曲线平动:如跳伞运动员。
转动以及复合运动在跳水和体操中体现的比较多。
人体运动的运动学特征,主要有时间、空间和时空,时间中包括时刻和时间两个部分,而时空是弥补时间的不足,主要从轨迹、路程和位移三个方面来体现,在研究中应注意路程是物体运动的轨迹,而位移则是起点与终点的直线距离,时间和空间的叠加就是我们所讲的时空特征,主要从速度、速率以及加速度来研究器械或人体的时空特征。
第二章人体运动的动力学(一)自学内容人体运动的运动学研究人体在空间、时间上各种运动状态及其变化规律,并没有阐明人体运动状态变化的原因,以及在给定条件下的运动规律。
因此,研究人体运动状态变化原因,以及在给定条件下的运动规律,是人体运动的动力学的主要研究内容。
本章阐述人体运动状态变化的原因,人体内力、外力及其相互关系,牛顿运动规律及其在体育运动中的应用,阐述体育运动中常见的几种人体外力,体育运动中的各种打击、碰撞、鞭打、转动动作中的生物力学原理及其应用。
(二)本章重点1、人体内力、外力及其相互关系。
2、牛顿运动规律及其在体育运动中的应用。
3、体育运动中常见的几种人体外力。
4、人体转动力学在体育实践中的应用。
(三)本章难点1、动量定理和动量守恒定律在体育运动中的应用。
2、人体运动的功、能及其转换。
(四)本章考点1、人体内力、外力及其相互关系。
2、体育运动中常见的几种人体外力。
3、人体转动力学在体育实践中的应用。
(五)学习指导要掌握人体内力、外力的相互关系,内力和外力既是相对的又是相互联系的。
要掌握体育运动中常见的人体外力:重力、弹力、摩擦力、支撑反作用力、流体作用力和向心力,结合体育运动实践重点掌握支撑反作用力和向心力。
掌握牛顿三定律的内容,以及每个定律在体育实践中的应用,揭示某些体育动作所包含的力学原理。
如,跳高起跳过程中,摆动臂和摆动腿如何摆动?有何胜物理学意义?在铅球投掷过程中是手对铅球的力大,还是铅球对手的作用力大?动量定理在体育中的应用:(1)为了减少人体的冲击力,通常需延长力的作用时间,例如,落地缓冲动作。
(2)为了使人体或器械获得较大的速度,通常需增加作用力并延长力的作用时间。
例如,投掷项目中,要求在最后用力前,使身体尽可能超越器械。
动量矩定理在体育运动中的应用,增大环节的转动效果,采用:(1)增大肌力矩(2)减小转动惯量。
增大人体整体转动效果采用:(1)利用运动中身体某点的制动;(2)增大偏心力矩的作用;(3)利用动量矩的转移。