第四章 运动生物力学原理

第四章运动生物力学原理第一节冲击动作的生物力学原理（李世明）一、动作形式在很多体育项目中存在碰撞现象，例如扣、踢以及拳击等动作都有碰撞现象。

在这些碰撞动作中，运动链系统的远端环节（如踢球的脚，击球的手或器械等）尽量快地打击球或其它物体。

在体育动作中，通过扣、踢等击打方式使人体四肢动量向运动器械实现转移的动作形式，我们可称之为冲击动作。

根据相互冲击的对象类型不同，可将体育运动中的冲击动作主要分为以下几种形式：人体对器械的冲击、人体对人体的冲击、人体对外界环境的冲击、器械对器械的冲击、器械对人体的冲击、器械对外界环境的冲击等。

在这些冲击形式中，尽管有的形式人体不直接参与碰撞，如器械对外界环境的冲击，但是，这种形式仍然需要人使器械产生运动才能发生碰撞现象，如网球与地面的碰撞。

这说明，无论是何种冲击形式，都需要人的参与，人的运动状态是不容忽视的。

（一）人体对器械的冲击人体对器械的冲击主要包括排球运动中的扣球、发球和垫球，足球中的踢球、顶球，乒乓球、棒球、冰球、网球等的击球动作，表现形式为人体与器械之间的碰撞。

体育动作中的绝大部分冲击性动作不仅仅是要使得人体环节动量有效完成传递，使器械获得较大的动量，还要求对器械击打的准确性、有效性。

如网球中的击球、乒乓球中的扣球、羽毛球中的扣球以及排球中的扣球等都对运动中击打球的准确性有着很高的要求，因此，击打效果主要包括击打速度与击打准确性。

如在排球扣球过程中，运动员的身体各环节的协调运动是高水平扣球的组成部分，而水平较低运动员的扣球是不协调的，在其环节的顺序活动中会存在许多重复动作，导致最终的打击球效果降低。

在排球技术中，由于球和前臂的接触时间较短，因此排球接发球也属于击球动作，但排球接发球，特别是排球接球并不是为了使球获得较大速度，而是为了获得更高的准确性，因此，技术因素在其中显得颇为重要。

一般认为在接发球中前臂成功触球与下列三个因素有关（Marryatt & Holt, 1982）：1．触球时，手臂肘关节的角度越大（≈180°），接发球越成功。

2．触球时，左右臂的夹角越小（有效击球平面），接发球越成功。

3．在触球过程中，两肘关节中点轨迹与球反弹的轨迹间的差异越小，接发球越成功。

同排球扣球一样，在足球踢球运动中，运动员踢球效果也不仅仅表现在踢球的速度上，同等重要的还有踢球的准确性。

在摆动腿前摆早期，大腿加速前摆的同时膝关节尽可能的靠近大腿，减少下肢的转动惯量，增加前摆速度，然后再通过伸小腿的方式加大转动半径，提高末端环节脚的线速度，从而提高脚踢球的效果。

有时为了踢出精准弧线球还要小关节（踝关节内旋发力）的密切配合，这都是提高准确击打球的重要因素所在。

人体对器械的冲击还存在另外一类，诸如体操中的一些推撑动作（如跳马）。

在这些项目中，对碰撞之前的动作不象排球的击球动作一样要求较高，仅仅对运动员的助跑速度要求较高，根据动量定理可知，运动员在推撑过程中应该迅速有力，否则会因为运动员接触器械时间较长而减少了对人体的冲力，从而损失了水平速度，影响到动作的质量或完成。

（二）人体对人体的冲击人体对人体的冲击现象主要出现在拳击、散手等格斗对抗项群中，它们的碰撞条件都比较特殊。

运动员都是手戴拳击手套击打人体，这里主要讨论碰撞期间力的传递。

现在对拳击的研究表明(Smith & Hamill,1985a)，技术水平对碰撞前0.01s的拳速（11.5m/s 左右）无影响，但在相同拳速下，高水平运动员比中等水平和低水平运动员传递给拳击袋的动量更大，因此，技术水平对击打效果存在重要影响。

事实上，戴拳击手套比教练们反对的赤手空拳传递的动量大。

由于拳击套的缓冲作用能减小碰撞时的疼痛，因而使拳击手出拳更加有力。

研究表明，当784N的力在约8ms的时间内作用于头时，足以引起脑震荡(Hodgson & Thomas, 1981)，因此不能认为戴拳击手套就是安全的。

史密斯和哈密尔的深入研究表明(Smith & Hamill,1985b)，直到第50次击打，戴拳击手套的最大碰撞力仍然是赤手空拳的近两倍（前者2913N，后者1484N）。

此外，不同的出拳方式拳速不同，直拳约6m/s，勾拳约8m/s，因此，最后形成的冲击效果也不同。

目前，拳击运动中的拳速和碰撞时间以及碰撞次数已经引起了人们对碰撞损伤的广泛关注。

（三）人体对外界环境的冲击人体对外界环境的冲击主要是指人体四肢与地面的碰撞，如体操中的翻踺子、前手翻等属于上肢与地面的碰撞，体操中的落地动作、跳高、跳远的踏跳动作等项目则属于下肢与地面的碰撞。

在这个碰撞过程中，人体的主动冲击是为了利用外界环境对人体的反作用力。

人体为了减小外界环境对人体的冲击（如体操中的落地动作）或者是为后续的蹬伸动作提供空间和时间的准备（如跳跃项目中的踏跳动作），往往采用缓冲动作（关于缓冲动作的原理将在以后作专门讲述）。

（四）器械对器械的冲击体育动作中器械对器械的冲击，前者是指运动员所持的拍或棒等打击器械，后者是球类等被打击器械。

网球、棒球、曲棍球、高尔夫球等项目的击球均属于此类。

在运动员进行手持器械进行打击的项目中，虽然最后打击形式是器械间的碰撞，但运动员手持的器械的运动轨迹、运动状态则是由人体控制的，因此最后打击球的效果实际上取决于人体的运动状态。

在运动员进行手持器械的打击性运动项目中，多数项目的挥拍、棒等动作形式属于鞭打动作。

下面以网球击球为例，对人体运动状态与最后冲击效果间的关系进行说明。

在网球的击球过程中，躯干的转动和下肢的伸展，使球拍向前运动，同时是“击球肩”速度的主要动力。

躯干的有力转动对击打手臂的滞后运动极其重要，这样在前摆早期可拉长肩部肌肉，为后续的向心收缩奠定良好的基础。

躯干连续向前转动，使肩持续获得向前的加速度，研究发现在击球时肩向前的速度约2m/s，肩的速度对向前和向上击球速度的贡献约为15%（Elliott et al. 1997）。

上臂的向前运动是正手击球的主要力学特征，它产生向前速度的20%～30%，向上速度的20%，这与采用的握拍方式有很大关系。

在前摆过程中，肘关节的角度保持相对恒定（≈100°），因此，肘关节对击球速度不产生作用。

在后摆完成后，上臂的旋外在击球前转变成旋内，这种转动在优秀运动员正手击球中非常明显，这也是获得较高击球速度的重要部分。

现已证实，上臂旋内的肌肉，在击球前和击球时收缩积极有力，在击球时，肩关节具有较高的内旋力矩。

腕关节的向前和向上屈曲尽管属于小关节的运动，但在击球的速度中同样起着重要的作用。

在网球击球过程中，从持拍后摆到前摆，再到最后击球，整个环节链保持一定的活动顺序性特征，每个环节都有其本身的活动特征，而击球前环节的活动特征正是保证具有良好击球效果的重要原因所在。

由上述分析可以看出，在此类冲击动作中，尽管表现为器械与器械之间的碰撞，但事实上是人体的运动状态对冲击效果其主要作用。

当然，由于最后的碰撞是器械间的碰撞，因此器械设计、材料等也是影响最后碰撞效果的重要因素之一。

如足球鞋应该穿着舒服、提供保护，并有利于踢球。

网球在运动员已经掌握技术的前提下，可以随力量的增大而加长网球拍长度，以提高网球击打过程中的转动惯量。

棒球运动员在训练过程中可以结合不同质量的球棒进行训练，以提高摆动速度，当然也可以作为其他冲击项目的辅助训练方法。

总之，除了人体运动状态对冲击效果具有重要的影响外，运动器械本身对于冲击类项目的运动成绩也有重要的影响。

（五）器械对人体的冲击在各种球类运动中的许多动作属于器械对人体的冲击性动作，如篮球中接高速来球、足球中的停球等。

为了减小来球对人体的冲力，这些动作都需要尽量延长力的作用时间。

由动量定理可知，如果动量的变化量是一个常量，即冲量值也应是一个常量。

这时延长作用时间，就可以减小冲力的大小。

如篮球中的接高速来球，当手接球的同时屈肘回收，顺势接球，可延长手与球的作用时间，从而减小球对手的冲力作用。

再如，足球中的停球动作常采用迎撤动作，以接球部位前迎来球，触球刹那向回引撤以缓冲来球的力量，这同样延长了人体与器械之间的作用时间。

（六）器械对外界环境的冲击器械与外界环境的碰撞主要指器械与地面的碰撞，如网球、足球各种球类与地面的碰撞。

器械与外界环境的碰撞完全是一种机械运动，但器械以何种速度、方向、地点与外界环境进行碰撞还需要人的活动来决定。

二、力学原理牛顿第二定律阐明了力、质量和加速度的瞬时关系。

但是在体育活动中发现，物体运动状态与其质量、速度和力的作用时间有很大关系，因此需要引入新的概念，即动量和冲量。

（一）动量运动中出现的碰撞、打击、踢等现象普遍存在，常常涉及人或器械在碰撞打击前后运动量的变化情况，因此有必要对物体的机械运动量作定量描述。

动量就是用以描述物体在一定运动状态下所具有的“运动量”，如足球守门员要接住速度慢的足球要比接住速度快的足球容易，若要停住同样速度的铅球和足球，前者难于后者，这说明物体的动量与物体的速度和质量有关。

力学上定义物体的质量和速度的乘积为动量，即物体运动量的量度。

K=（1）mV动量是矢量，其方向为速度的方向。

其国际单位制单位为kg·m/s。

在碰撞问题中，物体动量的变化反映了物体对其它物体产生的机械效果，在由相互作用而引起的机械运动传递中物体间交换的是动量。

（二）冲量力的冲量与动量密切相关，以力和力的作用时间来量度。

牛顿第二定律只是反映了物体受力和运动状态变化的瞬时关系，而不能说明在受到外力连续作用的过程中物体运动状态的改变。

事实上，无论是物体的运动，还是人体的运动，都是外力连续作用的结果。

所以，必须研究力在一定时间内对物体的连续作用所产生的累积效应。

即外力使物体动量发生变化的大小，由力和力的作用时间所决定。

在力学中，将作用于物体上的外力与外力的作用时间的乘积定义为力的冲量，即：=（2）I∆⋅tF冲量也是矢量，其方向与力的方向相同，其国际单位制的单位为N·s。

在实际研究中，通常测出的是力随时间的变化曲线。

如果力是一个恒力，在F-t关系图上表现为一水平线段。

根据冲量定义就恰为这条水平线段下所围成的矩形面积的大小，如图1所示。

如果力是随时间变化的（变力），在F-t关系图上力表现为一条曲线。

冲量的大小等于曲线和横坐标所围成的面积，如图2所示。

（三）动量定理动量定理是描述物体机械运动状态变化规律的基本定理之一。

物体在运动过程中，在某段时间内动量的改变△k 等于所受合外力在这段时间内的冲量。

动量定理可由牛顿第二定律推导出来。

假设质量为m 的物体，受到恒力F 的作用，其加速度a 也是恒定不变的，在t 1时刻的速度为V 1，在t 2时刻的速度为V 2，则有：（3） 即 1212)(mV mV t t F -=- （4） 在动力学问题研究中，通常人们关心的是力的累积效应，而并非力的瞬时效应。