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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。
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(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。
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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。
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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。
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(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。
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(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。
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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?
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(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。
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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
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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
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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。
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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。
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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。
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(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。
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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
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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。
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(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。
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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。
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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
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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
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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?
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