实际使用最新14年10月生物力学第二章.稿概要

第三章 人体生物力学参数,第一节 人体惯性参数 人体惯性参数是指人体整体及环节的质量、质心（重心）位置、转动惯量及转动半径。 一、 人体惯性参数特征 （一）人体惯性参数特征量,1. 质量 质量是物体含有物质的多少，它是衡量物体平动惯性大小的物理量，用以描述物体保持原有运动状态的能力。 2. 重量 重量包括人体总重量和人体环节重量。 重量与质量有对应关系，但随着重力加速度g的变化，这种对应关系也随之变化。物体的重量为W，物体的质量为m，重力加速度为g，则质量与重量之间的关系为：W=mg。,3人体质心（重心） 人体总质心是指人体整体质量分布的加权平均位置。人体重心是人体各环节所受地球引力的合力作用点。 4环节质心（重心）位置 人体环节质心（重心）在各环节中几乎都有一个固定的位置。纵长环节的质心（重心）大致位于纵轴上，靠近近侧端关节。,5. 转动惯量 设物体（人体）转动部分由n个微小质量mi构成，微小质量mi距转轴的距离分别为ri。则转动惯量的定义式为：,6. 回转半径（转动半径） 由于很难了解物体中每一质点的质量及其到转动轴的距离，通常都是用物体的整体质量。假设绕某转动轴转动的物体全部集中在离轴某一距离的一点上，即用这一点来代表整个物体的质量，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，则称这个距离为回转半径（R），也叫转动半径，用公式表示为：,（二）人体惯性参数的特性 1. 人体重心位置 性别：由于男女之间在青春期发育情况的差异，从总体上来说，女子重心的相对高度比男子低0.5%2%。 年龄：随着年龄的变化，重心的绝对高度与相对高度均会发生变化。一般来讲，婴儿重心的相对高度比成年人约高10%15%，随着年龄的增长相对重心高度会下降。,运动专项：由于运动专项训练方式的不同，会使某些运动员的局部环节质量及分布发生改变。运动专项不同对人体总重心的位置有所影响，滑冰、足球和短跑等下肢肌肉肥厚运动员的相对重心位置较低，而体操、游泳、赛艇等上肢肌肉肥厚运动员的相对重心位置较高。,姿势：人体姿势的改变对重心位置有重大影响。当环节向某方向运动时，身体重心随之向该方向移动，在某些情况下，特别是当前屈或后仰时，身体总重心甚至移出体外（图2-1）。,2.人体转动惯量 因为人体转动惯量这种可变性，使人可以根据不同的动作目的，调节身体姿势改变转动惯量，达到自我控制的目的。利用人体转动惯量的可变性，可以通过变换转动轴或通过改变姿势来改变转动惯量，以完成各种动作。例如，跳水运动员在完成空翻动作过程中，从起跳、团身、打开身体入水，身体对额状轴的转动惯量随身体姿势的改变而改变。,二、人体惯性参数模型 （一）人体惯性参数测量方法 1. 尸体测量法 2活体研究 (1)水浸法 水浸法是根据阿基米 德原理，浸入水中环节 的体积等于被排开水的 体积，然后再与人体平 均密度相乘得到环节质量。,(2)称重法（平衡板法） 其原理应用力矩平衡方程，测量人体总重心位置,第二节 运动学参数 一、运动学参数特征 （一） 运动学参数 1时间参数 （1）时刻 是人体位置的时间量度，是时间上的一个点。它用于运动的开始、结束和运动过程中许多重要位相的瞬时。,（2）时间 是运动结束时刻与运动开始时刻之差值。运动持续时间是运动始末两个时刻之间的间隔。 （3）频率 是动作重复性的度量，频率就是单位时间内重复进行的动作次数。,2空间参数 （1）路程 指人体从一个位置移到另一个位置时，人体运动的实际路线的长度。,（2）位移 表示人体在整个运动过程中位置总的变化，既有大小又有方向，是对运动的直线量度。 （3）角位移（转动角） 描述人体转动的空间物理量，人体整体或环节绕某轴转动时转过的角度，称为角位移。,3时空参数 （1）速度 指人体所经过的位移与通过这段位移所用时间之比，是描述人体运动快慢和方向的物理量，用v表示。 （2）速率 指人体运动所经过的路程与通过这段路程所用的时间之比，是描述人体运动快慢程度的物理量，只有大小，不表明方向。,（3）角速度 指人体在单位时间内转过的角度，用表示。角速度用以表示物体转动的快慢与转向。 （4）加速度 指单位时间内人体速度的变化量，是描述人体运动速度变化快慢的物理量，用a表示。 （5）角加速度 用角加速度表示人体转动时角速度变化的快慢，用表示。,（二） 运动学参数相对性特征 1参照系又称参考系 指为了描述人体运动所选定的作为参考标准的物体或物体群。 （1）惯性参照系 指以地球或相对于地球静止不动的物体、或做匀速直线运动的物体作为参照系，通常又称为静参照系。,（2）非惯性参照系 指以相对于地球作变速运动物体，通常称为动参照系。在人体完成各种体育动作时，有时需要研究局部肢体的运动状态变化，在大多数情况下，是以人体躯干或身体重心作为参照系，因为在完成体育动作时，人体躯干或身体重心的位置不断改变的，因此他们属于非惯性参照系。,2坐标系 为了定量表示人体或器械的位置相对于参照系发生的变化，就要用坐标系。 （1）一维坐标系 最简单的是一维坐标坐标轴用OX表示。,（2）二维坐标系 二维坐标系又称平面坐标系，若人体在空间的运动是在一个平面上，这个运动可以有两个方向。判断它的位置要从两个方向看，由原点引出两根互成直角的轴分别为ox轴和oy轴,（3） 三维坐标系 三维坐标系又称空间坐标。判断人体的运动要从3个方向上看，由原点引出3条互相垂直的坐标轴，分别用OX、OY、OZ表示,（三） 运动学参数的瞬时性特征 1 瞬时速度与平均速度 瞬时速度是通过某一位置时的速度， 平均线速度是人体在某一段时间间隔内通过的位移对此时间间隔之比。,2 瞬时加速度与平均加速度 瞬时加速度是指人体运动在某一时刻或某一位置的加速度，当t趋于零时的极限值，人体的平均加速度既为瞬时加速度。,平均加速度为某一时间间隔内速度的变化率。在直线运动中，平均加速度等于人体运动的末速度vt与初速度v0的差值和时间t的比值。,二、运动学参数的采集 1摄影（像）方法 2图像解析与数据处理,第三节 动力学参数特征 一、动力学参数 （一）力 1. 人体内力与外力 人体内力 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。,人体外力 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，是一种非接触力，是人体各部分所受地球引力的矢量合成 弹力 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，以形变恢复作用于它物体的力称之。 摩擦力 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。 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。,（二）力矩 力矩是使物体（人体）转动状态发生改变的原因，用M表示。 （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”。,（四）动量矩 在研究物体（人体）绕轴转动时，动量矩也是一个很重要的物理量。 （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。,（六）冲量矩 与冲量相似，在研究转动问题时，把力矩在时间上的积累称为冲量矩。 （七）功 功是力对物体作用效果的一种量度，功的大小等于力与物体沿力的方向所发生的位移的乘积。,（八）功率 功率是单位时间内的做功量。 （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。,二、动力学参数的特征 （一）独立性 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。 这是一个很重要的结论，即许多力产生的加速度可以线性叠加。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。,（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。 （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。,三、动力学参数的采集 （一）三维测力台 （二）分布式足底压力测量系统 （三）等速测力系统,第四节 运动生物力学参数特征 一、 非线性特征 线性系统最基本的特性之一是叠加原理的成立。但生物系统一般具有非线性特征，运动中的人体也是同样。因为构成各种人体运动的原动肌骨骼肌收缩，其外部力学特征是非线性的，单块肌肉如此，在完成运动动作中的主动肌、协动肌、对抗肌共同作用下的肌群的力学特性更是如此。,二、相对性特征 人体生物力学参数的相对性，表现为人体生物的极限指标不可计测和人体功能的极限无法获得，而只能获得极限指标的相对值。人体运动能力的极限指标不可计测并不等于其相对的极限状态的不可预测。从相对极限指标的数值上可以对绝对极限指标作定性的估计，所以广泛测定人体运动的相对极限指标是运动生物力学研究的重要方面。,三、复杂性特征 人体是一个复杂的生物巨系统。不仅表现为构成该复杂系统中的各子系统间的关系复杂，还体现在各子系统内各种参数的动态可变性。人体拒测性、人体动作参数的不可复性以及参数的随机分散性都表现出人体运动生物力学参数的复杂性特征。,