运动生物力学

运动生物力学作业
一、名词解释：
1.运动生物力学：运动生物力学是以人体解剖学、人体生理学和力学的理论与方法，研究人体运动器系的生物力学特性和人体运动动作的力学规律以及器械机械运动力学规律的科学。

2.肌肉的松弛：被拉长的肌肉，随着时间的延长，其弹性形变力逐渐下降的现象（特性）。

3.相向运动：人体在腾空状态时，若身体部分环节以11ωI 绕某轴发生转动，则必
有另一些环节以22ωI 绕同一轴作反方向转动，且满足02211=+ωω I I ，
这种现象称相向运动。

（与手抄的不同，以手抄为准）
4.鞭打：手部游离(或持物)，上肢作类似鞭子急剧抽打的摆臂动作过程。

5．动态支撑反作用力：人体处于支撑状态时，由于人体局部环节的运动而给支点以作用力时，支点给人体的反作用力。

6．牵连速度：研究人体或器械运动时，动参照系相对于静参系的运动速度。

用Vt 表示。

7．人体重心：人体全部环节所受重力的合力作用点。

8．骨疲劳：反复作用的循环载荷超过某一生理限度时会使骨组织受到损伤，称为骨疲劳。

9.补偿运动：当人体的总重心在不适宜的方向上发生位移时，人能够在一定范围内把身体重心向相反方向移动以保持人体平衡。

10.稳定角：重力作用线同重心与支撑面边界相应点的连线的夹角。

11.腾起速度（起跳速度）：指起跳脚蹬离地面瞬间身体重心的速度大小。

12.爆发力：人体在短时间内快速的将生物化学能转换为机械能，对外输出强大功率的能力。

（爆发式用力需要人体的瞬时功率较大或最大。

）
13.流体压差阻力（形状阻力）：由于流体流经物体时，流动状态的改变，形成涡旋，使物体前后产生压强差所引起的阻力。

14.：有限稳定平衡：人体偏离平衡位置后，在某一
位置范围内能恢复平衡，超过限度则失去平衡。

15.静态支反力：人体处于静止状态，由于重力作用使人体对支点产生压力，而支点对人体产生的反作用力。

16.马格努斯效应：当球体在流体中既有平动又绕自身重心转动时，球体将作一种曲线运动。

二、简答题：
1．运动生物力学研究方法包括哪几种？研究方法的指导思想是什么？运动生物
力学研究的发展趋势是什么？目前运动生物力学研究的四个层面是什么？
答：研究方法：系统的方法、生物学方法、物理力学的方法相互渗透、融合而研究人体运动的因果关系。

研究方法的指导思想：生命力学化和力学生命化。

研究方法的发展趋势：准确化，同步化，计算机化，模型化，最优化，系统化和微型化。

四个层面：①基础研究；②理论研究；③应用研究；④研究方法与测试手段的研究。

2.人体骨杠杆可分为哪三种？各有什么特点？
答：①平衡杠杆特点：推铅球动作属于平衡杠杆。

②省力杠杆特点：提踵动作属于省力杠杆。

③速度杠杆（费力杠杆）特点：摆臂动作属于速度杠杆。

3.根据平衡的稳度分类，人体平衡可分为哪4种？影响人体平衡稳定性的力学因素有哪些？
答：稳定平衡有限稳定平衡不稳定平衡随遇平衡
影响人体平衡的因素：①支撑面；②重心高度；③体重。

4.忽略空气阻力时，决定投掷远度和跳远远度的运动学因素分别有哪些？跳远腾空过程中，人体总重心的运动速度和加速度的方向如何变化？重心的运动由哪两个运动合成？
答：决定投掷远度的运动学因素：出手角度、出手高度、出手速度。

决定跳远远度的运动学因素：起跳速度、起跳角度、起跳时身体重心的高度。

人体总重心的运动速度方向时刻改变，而加速度方向不变，始终竖直向下。

重心的运动由水平匀速运动、竖直上抛运动合成。

5.我国十六环节人体惯性参数模型中各环节分别是什么形状？国内外在对人体惯性参数的研究过程中，采用了哪两种不同的环节起止点的划分（分隔）方法？答：头为椭球形；上躯干为圆截锥形，断面为椭圆形；下躯干为圆截锥形，断面为圆形。

各环节起止点的划分方法：以功能为依据、以骨性标志为依据。

6.怎样理解肌肉的静息长度和平衡长度及其相互关系？骨骼肌的力学三元素模型包括哪三种成分？
答：肌肉的平衡长度：无任何负荷时肌肉的长度—
（也称最适长度）：指肌肉收缩成分产生最大收缩力时肌肉肌肉的静息长度—
o
的长度。

研究表明：
=1.25
o
成分：收缩成分串联弹性成分并联弹性成分
7.分别将人体视为刚体和质点时，其运动形式分别有哪几种？
答：刚体运动形式：平动转动复合运动
质点运动形式：直线运动曲线运动
8.人体骨骼在拉伸实验中，应力-应变过程包括哪四个阶段？
答：1弹性阶段 2屈服阶段 3强化阶段 4颈缩阶段
9.人体游泳时受到的阻力主要有哪几种？游泳的动力有哪几种？自由泳高肘曲臂划水的生物力学特点有哪些？
答：阻力：1摩擦阻力 2迎面阻力 3压差阻力 4兴波阻力 5回返阻力 6惯性阻力
动力：一、划臂推进力二、升力三、压差阻力作为动力
特点（生物力学意义）：
①划水面积大。

②有效划程长。

③划静水。

④有利于肌肉工作（阻力臂短，转动惯量减小，可加速臂绕肩关节的转动）。

10.运动中人体骨骼所受载荷的表现形式有哪几种？试应用举例。

答：①拉伸载荷②压缩载荷③弯曲载荷④剪切载荷⑤扭转载荷⑥复合载荷举例略
11.结合人体运动的自由度，简述跑的后蹬阶段送髋动作的运动生物力学意义？答：1、保证骨盆在支撑腿一侧髋关节一点固定，从而使骨盆有三个自由度，进而加大步长。

2、送髋使身体重心在支撑阶段迅速前移，以减小后蹬角。

3、屈髋（不送髋）的跑动造成骨盆在髋关节两点固定。

摆动腿只能作钟摆式摆动，甚至出现“坐着跑”。

影响步长
和后蹬力量的发挥。

12.简述跳高、跳远的起跳阶段摆动动作的运动生物力学意义？摆动动作的关键是什么？
答：①提高地面给人体的支反力。

②提高起跳瞬间人体重心的高度。

③提高人体重心的腾起初速度。

④使人体获得一定的转动效应。

整个摆动动作有两个关键：①加速摆动②突然制动。

13.简述现代短跑途中跑的屈蹬跑技术特点及其运动生物力学意义？
答：屈蹬跑技术是指短跑途中跑后蹬阶段支撑腿在膝关节略微弯曲时蹬离
地面的一种跑动技术。

现代研究表明膝关节角度一般不超过165 。

其生物力学意义在于：
①减小后蹬角，使支反力的水平分力加大，进而加大了人体前进的动力。

②缩短了后蹬时间，有利于提高支反力。

③加大了屈膝肌群的动力臂，从而加大屈膝力矩，为由支撑过渡到摆动以及大小腿折叠作好充分准备。

④适合塑胶跑道粘弹性体的性质，使人体能较好的利用跑道的弹性。

14.举体育实例说明人体转动惯量的可变性特点？
答：①人体对不同轴的转动惯量不同。

如A：人体直体时，绕通过身体重的三轴的转动惯量不同，主要是人体质量分布离远近不同。

B：同一人做单杠大回环和腹回环时转动惯量不同。

②对同一固定轴由于身体姿势的不同而使转动惯量不同。

如：A：团身空翻和直体空翻时转动惯量不同。

B：跑动时直腿摆和屈腿摆，腿相对于髋关节的转动惯量不同。

C：花样滑冰点冰转时，手臂位置的改变，对转动惯量的影响。

③人体呼吸循环等因素时刻影响人体质量分布，而使人体转动惯量不断变化。

15.简述蹲踞式起跑人体平衡的特点和人体容易向前摔倒的原因？
答：1、蹲踞式起跑的准备姿势属于下支撑稳定平衡，但在起跑动作过程中要求迅速破坏平衡，蹬离起跑器。

因此起跑过程中重心前移很大，而且臀位较高，使前稳定角减小，有利于人体快速突破平衡。

2、由于重心前移使前稳定角很小，同时头的位置较低，会造成肌肉过分紧张。

特别是接近式起跑，上肢负担过大，身体平衡的稳定性差，重心一旦超过手的支撑线而双腿尚未发力，人就会向前摔倒。

16.运动员进行弯道跑时身体内倾的目的是什么？用力学原理做简单分析？答：是使人体获得改变运动方向即沿圆周运动的向
心力，身体内倾时，使支反力在额状面内与水平方
向成一定角度，提供人体圆周运动的向心力，如图：
V越大时，内倾越大，或支反力也越大或摩擦力越大。

如：自行车、速度滑冰等内倾更大。

（图略）
17.怎样理解铁饼或标枪的出手角、倾角和攻角及其相互关系？
答：①投掷角（出手角）α：指饼出手瞬间重心速度方向与水平面的夹角。

②倾角（冲击角）β：指铁饼纵轴与水平面间的夹角。

③攻角（迎角）ϑ：器械相对于空气流的速度方向与器械纵轴的夹角。

（铁饼的中心面与相对风向之间的夹角）
∂-=βϑ，如果∂>β，则ϑ为
正值（正攻角）；αβ<，ϑ为负值
（负攻角）。

18.人体整体、上肢和下肢动作的基本形式分别包括哪几种？简述缓冲的作用。

答：上肢动作的基本形式：推、拉、鞭打动作
下肢动作的基本形式：缓冲、蹬伸、鞭打
人体整体动作的基本形式：扭转、相向运动、摆动动作
缓冲的作用：（意义）
①减小力的作用：由动量定理可知：t mV mV F o t /)(-=，延长作用时间t 可减小力的作用。

（还可以减小水平阻力）
②为蹬伸动作做准备：缓冲动作的好坏直接影响蹬伸动作和完成动作的质量。

（使下肢各关节处于适宜的发力状态）
A 、缓冲使髋、膝、踝各关节达到适宜的角度，有利于蹬地力量的发挥和达到合理的蹬地角度。

B 、过渡的缓冲对动作的完成不利。

如制动性上板（腿过早前伸）使缓冲时间过长，减小蹬地力，水平速度损失过大，影响腾起角等。

③提高肌肉的弹性形变势能和肌肉张力。

19.人体跑动的前撑阶段和后蹬阶段，摩擦力f 的方向和作用分别是什么？ 答：①前撑阶段：
f 的方向水平向后，利用力的平移原理，
可将f 移至人体重心C ，并加一力偶。

可见：其作用有二，其一是阻碍人体前进，
其二是使人体产生绕身体重心的前翻力矩。

△减小f 是跑动技术的要求，增大着地角和减小足的着地速度可以减小f 。

动作方法是摆动腿的积极下压扒地动作。

（同时f 并非越小越好）。

②后蹬阶段：
f 是人体水平前进的动力，通过平移，可知
f 使人体产生向前的加速度和使人体后翻。

20.简述关节活动的顺序性原理及其生物力学意义？
答：①原理内容：人体运动时，总是表现出大关节首先产生和结束活动，小关节后产生和结束活动，依据关节的大小，表现出一定的顺序性。

②意义：
A 、可以使动作产生更大的力量和获得更大的运动速度。

B 、主动加强大关节用力，有利于发挥大关节的机能潜力，有利于动作的完成。

C 、注意加强小关节的力量，可以加大动作力量和加快动作速度，加强动作的稳定性和方向性。

三、论述题：
1.运动员做单杠大回环时在什么时候最易脱手？试用运动生物力学知识做详细分析说明？
答：人体在杠下悬垂时刻（6点时刻）最易脱手。

受力分析如图（图略）：R 为半径（人体重心至轴的距离）
mg 为人体重力，F 为单杠对人体的拉力（即人拉杠的
反作用力）。

由牛二可知，R
v m mg F 2
cos =-α ∴ αcos 2
mg R
v m F += 由机械能守恒定律可知：0=α时，即悬垂时刻，V 最大，且1cos =α所以F 最大，即在整个回环过程中，人体在悬重时相对手的握力、臂的拉力要求最大。

如果手的握力＜ F ，则脱手。

2.试分析踢足球弧线球（在空中非竖直方向弧线飞行）的力学条件和形成弧线球的力学机制？
答：条件：球受到偏心力的作用，使球在进行平动的同时，绕自身重心转动。

机制：马格努斯效应。

分析： 如图所示，（图略）
①当球体绕重心转动时，球体表面附近的空气由于粘滞性将随球体一起转动，形成绕球体的环流。

②环流与平动的流层叠加后，在球的A 侧（如图）流体的合速度较大，而在B 侧流体的合速度较小。

③根据伯努力定律，可知球在A 侧所受空气的压强小，在B 侧所受空气压强大，
最终使球受到一个与平动方向垂直的压强差。

改变了球的直线运动而沿曲线运动，形成弧线球。

3.什么是超越器械动作？试分析在投掷最后用力阶段做好超越器械动作的运动生物力学原理和意义？
答：“超越器械”动作是指投掷最后用力阶段，身体向前超出器械或器械远远落后于人体的动作。

由mV t F ∆=∆⋅∑可知，V 的增加依赖于ΣF ·Δt ，即必须加大F 和Δt 。

“超越器械”动作可以加大F 和Δt 。

①通过超越器械动作增加了最后用力的工作距离进而增加了力的作用时间Δt ，因而可增加投掷冲量，提高器械出手速度。

②超越器械动作可以增加肌肉力量，即增大最后用力的力量。

因为超越器械动作使投掷相关用力肌群充分拉长，进而增加肌肉的收缩力。

4.试用力学理论结合人体特点分析人体从高处落下着地时，为什么用前脚掌着地而不用足跟着地？
答：主要目的是减小地面给人体的强大冲击力，避免人体骨和肌肉的损伤。

根据动量定理，mV t F ∆=∆⋅∑可知，在人体着地的过程中人体动量变化是一定的，当t ∆延长时，ΣF 必然减小。

①用前脚掌着地，并迅速过渡到全脚掌，同时伴有屈膝、屈髋等动作，充分利用了人体本身的弹性缓冲结构，延长了人体与地面的作用时间。

②足跟本身无缓冲结构，同时足跟着地不能使人体完成屈膝、髋等动作，减小了人体与地面的作用时间，因而加大了地面对人体的冲击力。

并且使冲击力经足跟和腿骨的刚性结构直接作用于人体腿部，髋部以及躯干，易造成人体骨、关节和肌肉、韧带等的损伤。

5.试建立两环节铰链刚体模型分析鞭打动作原理，并说明：（1）为什么鞭打中要强调大环节带动小环节？（2）为什么鞭打中要强调大环节的突然制动？
答：两环节铰链式模型如图，开始阶段，两环节其以ω1转动，I 1突然制动后，
I 2则以ω2转动。

由动量矩定理可知：
12122)(ωωI I I t M +-=∆⋅∑
22I t M ∑∆⋅=∴ω+121)1(ω++I I
其中2I t M ∑∆⋅为主动用力部分，而121)1(ω++I I 为动量矩的传递部分。

可见为增加远端环节的角速度，必须同时加大两部分。

由上述力学分析可知：
A、采用大关节带动小关节的活动，可以加大主动用力，原因是大关节肌拉力矩大，可获得大的转动初角速度。

同时由于大环节质量大，可产生大的动量矩，为传递做准备。

B：大环节的突然制动，是实现动量矩传递的前提条件，而且参加制动环节的转动质量和动量矩越大时，传递的动量矩越多。

远端环节的角速度越大。