运动生物力学教案

运动生物力学教案教学内容：●教学常规：师生问好、登记考勤等●导入部分：①复习：人体惯性参数、运动学参数。

提问问题：影响人体转动惯量的因素有哪些？举例说明这些因素在体育动作中的作用。

②宣布本节课内容，提出问题：冬天下雪的时候，自行车轮胎里面的气体是要冲饱满些，还是应该少冲一些？组织学生进行讨论，引发学生兴趣。

冬天自行车轮胎里面的气体要少冲些，增大摩擦力，防止摔倒。

引出摩擦力，从而引出本节课内容：动力学参数●主要部分：第三节动力学参特数征一、动力学参数（一）力力是物体间的相互作用。

主要是人体与地面或流体或器械的相互作用，❖力的外效应：这种相互作用的结果使物体改变运动状态❖力的内效应：这种相互作用的结果使物体发生形变影响力作用效应的因素有力的方向、大小和作用点，称为力的三要素。

1. 人体内力与外力内力：若将人体看作一个生物力学系统，则人体内部各部分相互作用的力称为人体内力，如肌肉力、组织粘滞力、韧带张力、关节约束反作用力等。

外力：若将人体看作一个生物力学系统，来自于外界作用于人体的力称为人体外力。

体育运动中人体所受的主要外力：重力、弹性力、摩擦力、支撑反作用力、介质作用力等。

2．人体受力特点人体受力按作用面可分：集中力和分布力❖集中力作用于人体的一点（面积为零）❖分布力作用于人体的一定面积上。

人体受力基本上都是分布力，如重力、浮力、地面支撑反作用力和器械反作用力等。

为了方便研究问题，我们把分布力折合成集中力，如重力、浮力把力分别集中于重心、浮心来处理。

✧人体受力按力的作用线与人体质心的位置关系，人体受力又分为正心力和偏心力。

力的作用线通过人体质心的力叫做正心力，如重力；力的作用线不通过人体质心的力叫做偏心力，如摩擦力。

人体所受的力绝大多数是偏心力，只有重力永远是正心力。

3．体育运动中常见的人体外力重力：人体重力即地球对人体的引力，非接触力，是人体各部分所受地球引力的矢量合成。

作用点是人体重心，其方向向下，指向地心。

公式：W=mg。

当我们进行训练时在斜坡上奔跑，向上跑时感到很累，是重力的分力使人体做下滑运动，成为人体上坡的阻力，通过蹬地不断地克服此阻力，以达到训练腿蹬地的肌肉力量。

向下跑时借助重力的分力来增加频率。

弹力：产生在直接接触的物体之间，以物体间的相互接触使物体发生形变为先决条件。

只要物体相互接触，弹力就一定存在。

公式：N=k△x （k 弹性系数，△x形变量）篮球，它的硬度比排球硬，也就是说不同物体有一定的弹性限度。

❖摩擦力：是两相互接触的物体作相对运动或有相对运动趋势时产生的力。

也是一种接触力。

摩擦力分静摩擦力，滑动摩擦力和滚动摩擦力1．静摩擦力❖相互接触的两物体有相对滑动趋势，在尚未产生相对滑动时，在接触面上产生阻止其出现相对滑动的力称静摩擦力。

❖两物体即将滑动时的静摩擦力称为最大静摩擦力。

2．滑动摩擦力：当物体沿接触面滑动时，所产生的阻碍滑动的力称作滑动摩擦力。

公式：f=μN。

对同一物体来讲静摩擦系数大于动摩擦系数3．滚动摩擦力：当物体沿接触面滚动时，所产生的阻碍滚动的力称为滚动摩擦力。

产生滚动摩擦力的原因是滚动的物体在和接触面相互作用时总有一些形变。

公式：F=W.K/R(k是摩擦系数，R是圆柱体的半径，W是圆柱体的重量。

)骑自行车时在不同的气候,自行车轮胎充气就应不同，在雪天时轮胎应放气，这样自行车与地面的摩擦系数大从而增大与地面的摩擦力，减少滑倒的危险。

支撑反作用力:人体处于支撑状态时，力作用于支点（支撑面）上，支点（支撑面）又反作用于人体，这种反作用力称支撑反作用力。

静力性支撑反作用力：由于受到重力对支点（支撑面）产生的压力，支点（支撑面）则对人体产生一个反作用力，它是一种约束反力，称静力性支撑反作用力。

动力性支撑反作用力：人体处于支撑作用，而人体局部环节作变速运动，其结果给支点（支撑面）以作用力，支点（支撑面）则给人体一个大于或小于重力的反作用力，称动力性支撑反作用力。

✧动力性支撑反作用力❖（1）加速垂直离开支点。

例如，我们站在磅秤上竖直上跳，此时加速度向上，即N- mg=ma N>mg。

经常出现在人体垂直向上摆臂、蹬离地面时。

如跳高时两臂的向上摆动。

（2）加速垂直朝向支点我们站在磅秤上竖直下蹲，此时加速度向下mg-N=maN=mg-ma 也就是N<mg,在人体各种等动作中较常见。

（3）加速斜向离开支点加速斜向离开支点，支撑反作用力也会增大，并与水平面成一定角度。

例如短跑的后蹬阶段，就是这种情况。

（二） 力矩力矩是使物体（人体）转动状态发生改变的原因。

力矩不仅跟力的大小有关，还跟力作用线和转动轴的垂直距离有关。

力矩=力臂×力（三）动量❖动量是用以描述物体在一定运动状态下具有的运动量。

动量是力在时间积累下的效果 。

❖动量=质量×速度 动量是矢量，方向为速度的方向。

❖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，传递或交换的力学量是动量。

（4）动量矩❖动量矩描述物体转动状态的量。

动量矩表现的是力矩在时间下的累积效果❖动量矩是转动惯量I 和角速度ω的乘积，用L 表示。

动量矩是矢量，其方向与角速度方向一致。

（五）冲量物体（人体）运动状态的改变是力作用的结果，力在时间上的积累可用冲量（s ）表示。

冲量是矢量，其方向沿力的方向。

（六 ）冲量矩在研究转动问题时，把力矩在时间上的积累称为冲量矩。

冲量矩是力矩和时间的乘积，当外力矩为恒值时，冲量矩J 为：mV P =ωI L =)(01t t M J -=（七）功功是力对物体作用效果的一种量度，反映了力对物体作用效果随物体位移的积累。

功的大小等于力与物体沿力的方向所发生的位移的乘积。

对于人体而言，肌肉通过化学能转化为机械能，若肌肉克服外力使物体产生位移，肌肉做了功。

若肌肉在等长收缩过程中，环节不产生位移，虽然没有机械功，但消耗了能量，说明肌肉做了生理功，如平衡动作。

（八）功率功率是单位时间内的做功量。

表示做功快慢的物理量，肌肉功率是运动技术评价中非常重要的一个指标。

体育运动成绩的高低及动作技术质量的优劣，往往取决于完成动作进程中肌肉功率的大小，即取决于人体肌肉由化学能转化为机械能的速度。

（九）机械能在人体运动中，机械能就是人体或器械做功的能力。

包括动能和势能。

动能是物体由于本身的运动而具有的能量。

如果物体的质量为m ，速度为v ，则它具有的平均动能为： 转动的物体也具有能量，转动的物体的转动动能可表示为：二、动力学参数的特征（一）独立性 对于刚体，牛顿第二定律表明，物体作加速度运动是由于力作用的结果，力与加速度一一对应。

也就是说，物体受到某一方向的作用力，则在该受力方向上产生加速度；若作用力消失，则加速度亦消失。

这种作用于物体的每一个力所产生的力学效应与其他力的无关性，称为力的独立作用原理。

由于物体具有运动的独立性，所以我们常可把物体的复杂受力矢量分解到三维坐标上，并分221mv E K =221ωI E K =别建立相应的牛顿第二定律分量式，从而使问题变得简单。

（二）瞬时性对人体运动的研究，有时候需要对人体运动过程进行研究，来描述运动的整体性，而有时需要对人体某时间点进行研究，即人体运动瞬时研究，例如人体某时刻的受力或用力情况、某时间点的速度加速度情况、瞬时功率等。

（三）隐含性人体有多个环节组成，环节之间连接方式多样。

人体整体的运动特征是由表及里局部环节的协调运动的结果。

有时仅从人体整体外部的运动特征来推断人体内部力学系统的动力学特征是比较困难的。

如运动员做吊环十字支撑动作，（四）生物性人体是生物体，所有环节并不是刚体。

当外力作用于人体时，牛顿力学中力与加速度的一一对应关系可能就不成立。

人体受到外力作用时，首先产生变形，力在人体内部传递过程是需要一定时间的，并且会产生损耗。

因此，牛顿力学应用于人体有局限性，用牛顿力学计算得出的人体动力学参数值往往存在较大的误差。

三、动力学参数的采集❖力是人体运动的根本原因。

在动作技术分析中，动力学的测试已经越来越受到研究者的重视，将运动中的人体运动学与动力学数据结合起来分析动作技术是揭示运动技术生物力学机制的较好方法。

❖目前应用于动力学参数的测量手段有三维测力台、分布式足底压力测量系统、等动力量测量系统和各种专用测量设备。

本节主要介绍目前在国内高校、科研部门应用较多的三维测力台测量系统。

其他动力学参数的采集系统只作简单介绍。

（一）三维测力台1．原理简介❖目前使用的三维测力台根据其力传感元件的不同大致可分为两类：一类是应变式测力台，❖另一类是压电式测力台。

❖三维测力台通常可用于测定起跑和途中跑的蹬地力，跳高、跳远等的起跳力，射击、射箭动作的稳定性等。

压电式测力台是目前使用较为广泛的测力台，这是由于这类测力台测试各类动态力、冲击力效果良好，这正好与体育运动中人体活动相对剧烈，足与地接触经常表现出碰撞的特点相符合，例如测量跳高、跳远的踏跳力（如图为纵跳测力实验）。

此类测力台也能很好地使用在肢体活动相对缓慢的步态分析中。

对于测量体育运动中如射击、射箭动作的姿态稳定性，则要使用应变式测力台，因为应变式测力台测静态力和准静态力效果较好，测试冲击力效果则较差，这一点正好与压电式测力台相反。

➢可获得参数：三维力大小、方向及作用点(通常称为压力中心)，同时还可计算出转矩.2．测试方案设计测力台测试可在三种条件下进行：❖实验室测试：如：原地纵跳和模拟各种运动项目的动作如从测力台上起跳扣球(排球)、从测力台上起跳做羽毛球的前场和后场击球动作等。

❖训练场馆测试：如：测量各类跑的途中跑、短跑起跑、跳高跳远的起跳、投掷蹬地、举重蹬地、排球起跳动作等。

❖比赛现场测试：如：各类大型比赛准备工作测试前要先做好测量设计，测量设计应根据测量的目的、任务以及仪器器材、场地、测量人员等情况进行。

要测量动作的活动范围、仪器安装的位置等，在正式测试之前还应对受试者讲解动作要求并进行试测，测试方案中应明确测量次数、组数、采样频率、采样时间等。

如图所示。

3．三维测力台的输出指标测力台测试中常用的力学参数为不同瞬间的力值、力矩、压力中心等。

能够直接给出的力学参数有：F X、F Y、F Z；相对于X、Y、Z轴的力矩M X、M Y、M Z；扭矩（T Z）；压力中心的坐标（A X、A Y )。

（二）分布式足底压力测量系统足底压力测试系统是一种测量足底压力分布的专业设备。

可应用于：（1）测试在真实环境下各种运动的足底压力分布，诊断足底疾病。

（2）糖尿病足溃疡的早期诊断和预防。

（3）矫形鞋垫和健康鞋的功能评价。

（4）步态的研究。

系统能采集的主要指标是人体在运动过程中的足底压力分布值（每测量点约2mm2）及其动态变化，测量系统采样频率可达500HZ甚至更高。