运动生物力学课讲稿：第三章(2007)

（一）质量
mi ri 2
i 1
n
（二）转动惯量
（三）回转半径
1．概念 假设绕某转动轴转 动的物体的质量全部集 中在离转轴某一距离的 一点上，这时它的转动 惯量如果恰好与原物体 相对此轴的转动惯量相 等，则这个距离为回转 半径（R），也叫转动半 径。
• 2．表达式
n i 1
mi ri 2
mi ri
i 1
n
2
• 2． 影响转动惯量大小因素： ① 质量 ② 质量分布 ③ 转轴的位置 3．人体转动惯量的特点： 可变性
4． 转动惯量的实际计算
二、人体惯性参数实测方法
（一）尸体解剖法
1． 简介 2． 原理：（略） 3． 优缺点 优点：具有一定的准确性，曾在科研领域发 挥了重要作用。 缺点：样本含量少，它所获得的人体惯性参数缺乏 代表性和准确性
（Biblioteka Baidu）人体惯性参数的软件化
人体惯性参数计算是一项工作量大、重复性强的工作， 需要依靠计算机来协助完成。所有回归方程的系数都可事先 编程，建立一个供运动生物力学分析使用的数据库。该库的 编辑系统可包括:人体模型的测量点库、人体模型环节数据库 、人体模型参数变量库、环节转动惯量计算公式库，等等。 这样，就能满足操作人员方便、灵活地进人所需的人体模型 数据库，完成解析任务。目前，国内应用较多的“爱捷运动 图像分析系统”中，专门建立了一个人体模型参数计算管理 系统，该系统按体重类、身高体重类、汉纳范模型进行分类 ，增加了适用于游泳等项目对称分布时的计算公式，基本上 包括了以上介绍的人体惯性参数的计算内容。
第3条数学模型计算法
从哈雷斯(18 60年)至阿马尔(1970年)等人的研究方法， 均将人体环节分别简化为圆柱、圆台或椭球等几何形体， 再使用相应组织的平均密度计算其中心主转动惯量。 直接测量人体活体环节的中心主转动惯量的方法还在 不断探索和完善之中。
思 考 题：
• 1． 什么是人体转动惯量？试举体育实例说明 影响转动惯量大小的因素有哪些？ • 2． 人体在跑动过程中，为什么曲臂摆、曲腿 摆？ • 3． 建立人体惯性参数模型的目的与意义？ • 4． 试比较国内外几种人体惯性参数模型的异 同点？
1978年，苏联扎齐奥尔斯基等人成功地运用γ 射线扫描测定了100名男性青年和15名女性青年人 体各环节质量、质心位置、转动惯量等惯性参数 。
5. CT法（X射线断层扫描法）
1992 年由清华大学、白求恩医科大学、国家 体育总局科研所郑秀媛、胡德贵、郑智良、王云 德等22位学者，历时7年首次在世界上成功地采用 CT技术，对我国男女各50名青年进行了人体惯性 参数的系统研究，首次获得了中国成年人的人体 惯性参数，结束了我国长期沿用外国人体惯性参 数的历史。
• •
(二 ) 活 体 测 量 法
1．重心板法 （有较大的局限性）
2．水浸法 ① 浸入法：是将所要测量的环节或整体浸入 到已盛满水的容器中，然后根据排出水量的多 少来确定环节或整体的体积，乘以平均密度得 到所测环节或整体的质量，即：环节质量 = 环 节密度*体积。
② 注入法：是先将所要测量的环节或整体放 入已知体积的容器内，然后注入水于容器中， 根据注入水量计算环节或整体的体积，乘以平 均密度得到所测环节或整体的质量。
• •
优点：设备简单,费用低廉; 缺点 ：只能测部分环节质量 , 无法提供质心和 转动惯量,而且精度相对较低。
3.人体测量法
根据人体环节的外形尺寸将各环节简化成各 种几何形体，然后用 X 射线摄影来确定各环节的 肌肉体积和骨骼密度，确定模型中各环节的质量 和质心位置。
4. γ 射线扫描法 （放射线同位素测定法）
三、人体惯性参数模型
1．建立人体惯性参数模型的意义：
•
学过数学、物理基础知识的人都知道，分析一个物 体的运首先要已知或求出这个物体的质量、质心、转 动惯量等，这些是反映物体基本特征的物理量，由于 人体是一个非常复杂的生物有机体，其惯性参数的获 得要比无生命的物体困难得多，但这些参数对运动生 物力学的研究又极其重要。
第三章
人 体 惯 性 参数
第一节 人体惯性参数概述
一、概念
1．人体惯性参数是指人体整体及环节的质量、
质心位置、转动惯量及转动半径。
2．应用价值：人体惯性参数是建立人体模型，进行人体 运动力学及运动损伤与预防方法研究的基础参数。是人 体科学研究的重要组成部分。
3．研究现状：由于人体惯性在体育、国防工业、医学、 康复等领域广泛应用，因此，近百年来人体惯性参数的 研究倍受国内外科学工作者的高度关注。目前，我们国 家有了自己的人体惯性参数，（郑秀媛，1992）
• 2．模型的可靠性：
• • ① 模型的几何构成； ② 各环节的几何尺寸的确定； ③ 环节质量分配采用的回归方程。
3.人体惯性参数系统的应用
（1）应用领域相当广泛
人体整体和各环节的惯量参数，包括质量、质心位置和 主转动惯量，是多种研究和设计项目必需的原始参数。如运 动生物力学、载人航天器动力学、车一人系统碰撞动力学、 战斗机弹射座椅的设计、坦克车和装甲车安全带的设计、劳 动安全防护设备的设计、伤残人假肢的研制等。
第三节
人体转动惯量的测量方法
国内外研究和测量人体环节中心主转动惯量(即通过环节质 心的三个方向的转动惯量)与测量人体环节质量、质心同步进 行。按测试对象的性质可分为:尸体测量法、活体测量法，数学 模型计算法;按测试方法可分为:落体法(释放法)、扭摆法、 悬摆法(复摆法)。
第1条尸体测量法
从1906年德国的菲舍尔解剖一具尸体，到1955年美国的丹 普斯特解剖8具尸体，总例数不超过20例。
第2条活体测量法
前苏联的扎齐奥尔斯基和中国的郑秀缓等采用的放射性同 位素法和CT法均是活体测量方法，其环节转动惯量的合成是按 照定义完成的。 前苏联的吉洪诺夫曾用机械振动法(或称角振动法)，确定 人体的主转动惯量。由于人体的不可分割性，直接测量人体活 体环节的主转动惯量有相当的困难，测量方法至今仍在发展。 我国在现有条件下，拟采用三线摆装置(扭摆法的一种)测 量人体整体和环节的主转动惯量，与CT法计算结果进行比较、 验证，并最终建立起中国成年人体的转动惯量的回归方程， 为完成中国成年人体环节主转动惯量国家标准的制定作准备。