人体平衡的生物力学 一、基本概念 （一）力与力系 1．力是物体之间的相互作用。人体运动中的力主要是人体与地面、器械、流体的相互作用。 2．力的三要素：大小、方向、作用点。力是矢量。 3．力系：是反映作用于物体上的一组力。 ① 汇交力系：作用线的延长线相交于一点的力系。 ② 平行力系：作用线互相平行的力系。 ③ 平衡力系：在力系作用下，物体的运动状态不发生改变的力系。

（二）约束、约束反力、主动力 1 、约束是指阻止物体自由移动的限制。这里涉及到自由体和非自由体。在离的作用下可任意方向移动的物体叫自由体，如：腾空运动的运动员。反之叫非自由体。实际中遇到大都是非自由体，物体相互接触或相互联系而使该物体的移动受的限制，则称物体受到约束。 2、 约束反力是指作用于物体的力，其大小等于物体加在约束上的力方向与之相反。约束反力的方向总是同阻碍物体运动的方向相反。

体育运动常见的约束种类 ① 无摩擦的理想约束。 ② 有摩擦的约束。 ③ 物体与接触面无直接接触，而是通过中间物体间接形成的约束。

主动力是指与约束反力性质相反的力，它使物体运动或有运动的趋势，如物体所受的重力，人或器械对物体所施的推力、拉力等。

（三）力的可传性原理 力可沿其作用线任意移动，而不改变其对物体的效应。

（四）力的平移定理 1．力矩、力偶矩 ①力矩：是量度力对物体作用是产生转动效果的物理量。 ②力偶：是指一对大小相等、方向相反的平行力。如司机的方向盘，拧开自来水，体操中的腹回环也近似力偶。力偶中的二力之和为零。 ③力偶矩：使物体发生转动的趋势的力偶产生的力矩。其方向判定方法同力矩。

2．力的平移定理 力可平行于自身移动到任意一点，但需增加一力偶，其力偶矩等于原力对于新作用点的力矩。 举例：跑的受力分析 讨论：弹力N促进身体向前旋转；摩擦力与空气阻力使身体向后旋转。增大或减小身体前倾角会有怎样的效果？

（五）研究对象的受力分析 1．具体步骤为：确定研究对象；画出受力图。 2．方法：我们所研究的对象主要为人体，在人体上画出主动力（重力及外加的力）和约束反力（所有外界物体与人体的接触作用。由于约束反力的方向不易判断，通常用约束反力的三个分量来代替，把未知的约束反力分解到直角坐标系中。 3．举例：燕式平衡，单杠直臂悬垂，体操中‘旗’动作。

二、 力的合成与分解 (一)合力与分力 已知分力求合力叫力的合成，已知合力求分力叫力的分解。 (二)力的合成方法 二、 力的合成与分解 (一)合力与分力 已知分力求合力叫力的合成，已知合力求分力叫力的分解。 (二)力的合成方法 1．平行四边形法则：同一点A作用的两个力F1和F2，以其作邻边画平行四边形，则平行四边形的对角线即代表这两个力的合力。 2．投影法：矢量在任意轴上的投影等于矢量各分量在同一轴上投影的代数和。 （三）力的分解

三、力系的简化与平衡 将作用于物体上的力系用一个合力，另加相应的力矩来表示，这一过程称为力系的简化。 （一）共点力系的简化与平衡 （二）共面力系的简化与平衡 （三）空间力系的简化与平衡

人体整体平衡的生物力学条件和特点 一、 人体平衡的力学条件 人体平衡的力学条件是人体所受的合外力为零和合外力矩为零。表达式为： ∑F=0，∑M=0 如：燕式平衡，单杠直臂悬垂。

二、 人体平衡的类型 （一）人体重心的概念 研究人体重心的意义：评定一个体育动作的质量，分析其技术特征和纠正错误动作等，都需要从人体重心的变化规律去分析，无论是动力性的动作还是静力性的姿势，探索其运动规律时，都离不开人体重心。

2．概念：人体全部环节所受重力的合力的作用点，就叫人体重心。 3．特点：人体重心不象物体那样恒定在一个点上，不仅在一段时间内，要受肌肉和脂肪的增长或消退等因素的影响，即使在每仪瞬间，也要受呼吸，消化、血液循环等因素的影响，特别是在体育运动中，要受人体姿势变化的制约，随姿势的改变，有时甚至移出体外。例如；体操中的“桥”，背跃式跳高的过杆动作等。

（二）人体平衡的分类 1．根据支点相对重心位置分类： 1） 上支撑平衡：当人体处于平衡，且支撑点在人体重心的上方。如，体操中的各类悬垂动作。 2）下支撑平衡：当人体处于平衡，且支撑点在人体重心的下方。下支撑平衡在体育动作中最为常见，如站立，自由体操和平衡木的平衡动作以及田径、武术等。 3）混合支撑平衡：是一种多支撑点的平衡状态，这时有的支撑点在人体重心上方，有的支撑点在人体重心下方。如肋木侧身平衡。

2．根据平衡的稳度分类 ①稳定平衡 ②不稳定平衡 ③随遇平衡 ④有限度的稳定平衡

三、 人体平衡的稳定性 （一）概念： 人体平衡的稳定性是人体处于有限稳定平衡状态时，抵抗各种破坏平衡的作用而保持平衡的能力。

（二）影响平衡稳定性的力学因素 1．支撑面 2． 重心高度 稳定角：重力作用线同重心与支撑面相应边界的连线之间的夹角。稳定角越大，稳定性越好；稳定角越小，稳定性越差；稳定角为零，人体处于临界状态。如蹲距式起跑‘预备’中运动员尽可能将重心抬高并前移，以减小前进方向的稳定角，以便快速破坏平衡。

3．体重 该系数表明了物体依靠重力抵抗翻到作用的能力。 K＞1，平衡不破坏；K=1，临界状态；K＜1平衡被破坏。人体重量力矩越大，稳定系数越大，破坏平衡所需的外界翻到力矩也越大，即人体平衡的稳定性越好。如摔交、拳击、柔道项目中按体重分级，原因就在于此。

四、人体平衡的特点 （一） 人体不能绝对静止 （二） 人体有效支撑面小于支撑面 （三）人体具有一定的自身平衡调节能力 （四）人体平衡受心理因素的影响 （五）人体平衡动作消耗肌肉的生理功

人体平衡动作的生物力学分析 一、燕式平衡 燕式平衡动作常见于体操、冰上运动和武术等项目中，它是以单脚支撑，身体处于水平状态的平衡动作。 1、受力分析：重力、地面对人体的支持力N。 2、人体平衡条件：∑F=N—G=0，N=G

3、局部环节的肌肉作用：主要收缩肌群三角肌、斜方肌、臀大肌的作用，就是平衡相应环节的重力矩。 4、稳定性能：燕式平衡为单腿支撑，支撑面小，身体处于不稳定状态，在该动作中，由于头和躯干的水平位，使身体重心有向前的趋势，可能使身体重心垂线超出支撑面而失去平衡。

二、吊环十字支撑 1、受力分析：受重力和吊环对人体的拉力。 2、平衡条件： 3、局部环节的肌肉作用：肩关节内收肌群（胸大肌和背阔肌）的拉力矩与身体重力矩保持平衡。肩胛下肌、大圆肌、三角肌等都起了作用。 4、稳定性能：根据平衡分类，该动作是属于上支撑的稳定平衡，但由于身体的重力大，重力臂长，重力矩大，必须有强大肌肉力量才能完成，因此该姿势是不稳定的。

三、直角支撑 1、受力分析：受重力和器械对人体的作用力N1、N2。 2、整体平衡条件：N1=N2=G/2 3、局部环节的肌肉作用：肩关节和肘关节周围的肌肉起固定作用，完成此动作必须使腹肌将骨盆固定在水平位，从而来发挥髂腰肌，股直肌，缝匠肌，股四头肌的拉力矩和下肢重力矩的平衡。 4、稳定性：该动作属于下支撑平衡，由于下肢的重力矩使身体有顺时针转动的趋势，在两臂能支撑的前提下，腹肌对完成动作起主要作用。

四、力量训练颈后负铃动作 1、受力分析：受重力，杠铃对人体的作用力P和地面对人体的作用力N。 2、平衡条件：ΣF=N—P—G=0 3、局部肌肉作用：臀大肌、股四头肌、小腿三头肌等的力量和人体重力以及杠铃重力相平衡，并且还要借助腰背力量、腹肌、竖脊肌固定控制能力。 4、稳定性分析：深蹲时，身体需前倾杠铃的重力矩加大，完成动作必费力，反之，则省力。

五、起跑动作 （一）站立式 （二）蹲距式 1、受力分析：重力、地面对人体四肢的支持力。 2、局部肌肉工作：髋、膝、踝都处于屈曲状态所有的伸肌处于拉长状态。 3、稳定性能：在蹲距式起跑中，根据采用起跑器的不同，身体平衡的稳定性不同，普通式较稳定，拉长式最稳定，接近式最不稳定。

六、技巧造型动作 1、受力分析： A、B两人重力G1G2，A所受支撑反作用力N1和N2 2、整体平衡条件： 4、稳定性： A、B两运动员重力的合力必须作用在A运动员的两支撑腿 之间， B运动员不能过分后倾，否则上肢拉力加大，完成难度增大，影响造型动作的稳定。

作业 1、理解力的平移定理和力的可传性原理，并举例说明？ 2、对人体跑的蹬伸动作进行受力分析？ 3、运动员站立时两脚开立为0.5米，重心离地面高度为1.0米，蹲着的重心高度为0.3米，试分别计算站立时与蹲着时人体对左右方向的稳定角？