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1、运动生物力学,游永豪 合肥师范学院 体育科学系 Tel:13695693116 E-mail：,内容提要：,本章从人体运动的基本动作形式出发，把复杂的人体运动分解为摆动动作、鞭打动作、相向动作、冲击动作、缓冲动作、蹬伸动作六种基本动作。分别阐述各种基本动作的运动形式、运动生物力学原理和动作特征。,第一节 摆动动作的生物力学原理,本节内容,投掷项目中，摆动腿以摆带蹬，摆蹬结合，大幅度、积极快速的摆动可提高助跑速度、滑步速度和旋转速度，从而使人体和器械获得一定的初速度，为提高成绩打下基础。摆动腿大腿带动小腿积极有力的摆动，加之蹬地动作的协调配合，从而使身体形成良好的超越器械姿势。 短跑中摆动腿的摆
2、动时间约占一个复步的3/4,摆动腿的质量占身体质量的17%,它的前后移动及速度变化对人体重心位移和速度有重要作用。 在极限速度跑时,能量储备的80%用于摆动腿肢体的加速和制动。,相关研究结果：,一、定义,摆动动作是指人体肢体为增加全身活动的协调性及增加动作效果而绕某一轴进行的一定幅度的转动。,起跨攻栏技术是跨栏技术的始动环节和关键技术,其动作效果取决于摆动腿的摆动速度、摆动幅度、摆动方向、摆动时机和起跨腿的着地方式、缓冲时间及蹬伸效果。 刘翔跨栏步技术符合现代跨栏“远起跨近跨栏”的技术风格，他过栏时两腿绞剪迅速，摆动腿下压积极，可以充分发挥栏间跑的技术。,二、力学原理,（一）摆动动作的合理配合
3、原理,1、惯性力,惯性力的量值为质量与非惯性系加速度的乘积，惯性力的方向与非惯性系的加速度方向相反，即 F*=-mar 。,其中，F*为惯性力，m为物体的质量，ar为非惯性系的加速度。,汽车以加速度a前进，人体相对汽车而言，以加速度-a运动，此时，就像有一个水平的惯性力作用于人体的质心处，大小为 F*=-ma 。,这个力F* 是不存在的，是人们假想出来的，用以描述上述现象。,光滑,定义：为了在非惯性参照系中使用牛顿运动第二定律而假想的附加力。,2、摆动动作的配合形式,跳高运动员摆动腿质心在铅垂方向的加速度变化规律,缓冲阶段加速度值急剧增加,最大缓冲时刻达到最大值,转入蹬伸阶段，加速度值减小,起
4、跳结束最小，甚至为负,跳高,摆动腿加速度值与起跳腿动作阶段合理配合形式,着地缓冲阶段： 摆动腿向下加速摆动，在最大缓冲时刻加速度值达到最大。惯性力向上，减小地面对支撑腿的反作用力，有利于减少人体与地面之间的冲击作用。,蹬伸阶段： 摆动腿向上加速，加速度值逐渐减小，甚至为负。惯性力向下，加大地面对支撑腿的反作用力，有利于提高动作速度。,起跳瞬间： 摆动动作进行制动。有利于摆动腿的动量矩向全身的传递。,(二)摆动动作的转动力学原理,转动问题中的力学基础是转动定律和动量矩定理 1、转动定律 （1）定义 刚体绕定轴转动时，转动惯量与角加速度的乘积等于作用于刚体的合外力矩，即,定律表明：外力矩是刚体转动
5、状态改变的力学原因 。,（2）转动定律在体育实践中的应用,转动定律在体育实践中有广泛的应用，例如：要加大肢体摆动的角加速度，可以从两个方面考虑问题，一是减小摆动肢体的转动惯量，二是增大肌力矩。 思考：足球射门时， 如何提高球速？,2、动量矩定理（角动量定理）,动量矩定理：冲量矩=动量矩的增量。 动量矩定理与动量定理类似（冲量=动量的增量） L=M(t1-t0)= J11-J00 当力矩为变力矩时:,冲量矩表示外力矩在时间上的累积效应。 动量矩表示刚体在转动状态下所具有的运动量。,动量矩定理的应用,加快人体环节的转动 增大肌力矩：一是增大肌肉收缩力；二是增大肌力臂 减小转动惯量：转动的环节或环节
6、系的质量尽可能靠近转轴，以提高转动角速度或角加速度 人体整体的转动,L=M(t1-t0)= J11-J00,思考：为什么臀部显著隆起的黑人运动员擅长跳跃？ 径赛运动员为什么要屈臂屈腿跑？,3、动量矩守恒定律,（1）动量矩守恒定律：如果一个系统不受外力矩或所受合外力矩为零，那么这个系统的总动量矩保持不变。 合外力矩M=0，则J=0，即：J11-J00=0，也就是 J11=J00=C，,人体处于腾空无支撑状态时，满足动量矩守恒的条件。,无论人体空中动作多么复杂，其总动量矩完全由腾空瞬间的初始条件所决定。借助人体姿态的变化和环节的相对运动，可以实现人体转动速度的变化和动量矩在基本轴间的转移。 例如：
7、晚旋。,（2）动量矩守恒定理在体育中的应用,动量矩在身体内的传递和转移主要是利用某些身体环节的突然制动，从而使这些环节原已获得的动量矩向相邻环节传递和转移。 如掷铁饼：下肢带动躯干绕身体纵轴旋转，持铁饼臂落后于身体形成超越器械，使身体成扭紧状态。此时腹部相应腹外斜肌和腹内斜肌被拉长。最后用力阶段，被拉长的肌肉收缩提高了收缩力，把扭紧的身体迅速打开后，突然制动下肢，使下肢、躯干的动量矩传递给投掷臂，从而显著增大投掷臂和铁饼的动量矩，为最后铁饼出手提供尽可能大的速度。,4、动量矩的转移,三、摆动动作在各项目中的作用意义,1.摆动动作在走、跑的项目中的重要意义 （1）维持身体平衡，增加全身协调性。
8、（2）在跑动时，良好的摆动技术对增加动作效果具有重要的意义。,摆动动作直接与步幅、步频有关。,2.摆动动作在跳远中的重要意义,摆腿，摆臂、送髋等动作在对提高身体重心，减少上板制动，提高身体重心腾起初速度，增大起跳角度等对跳远成绩影响最大的因素的影响意义重大。,前苏联著名生物力学专家丘帕曾经在研究中指出:“跳远起跳腿在蹬伸用力过程中的总用力值约为335kg，而摆动腿提供的摆动力量为123kg，占总用力值的36.7%，若将双臂的摆动力加上去，那么整个摆动动作的用力值所占总用力值的比例将达到63.7%。”说明了摆动腿的动作在跳远起跳过程中具有极为重要的作用。,3.摆动动作在跳高中的作用,（1）协调人
9、体动作，维持身体平衡； （2）摆动所产生的惯性力可反射性地加大地面对人体的支撑反作用力。 （3）摆动的结果提高了起跳离地瞬间的身体重心的高度。 （4）摆动动作的突停，增加了躯干和起跳腿向上的速度。,四、实例分析,1.短跑途中跑摆腿动作的力学分析,（1）摆动腿的积极向前上方摆，所产生的惯性力是指向后下方，从而加大了后蹬力量。,鲍威尔,摆动腿方向,摩擦力,惯性力,（2）在短跑途中跑中 ，骨盆是摆腿的支点 ，骨盆的前移与转动带动了摆动腿的积极前摆，增加了摆腿的力量和幅度。,（3）正确的摆腿动作，在摆动腿向前摆动时， 大小腿要折叠。优秀短跑运动员的摆动腿脚跟往往可触及臀部。 加快摆腿速度的途径：一是增
10、加摆动腿的转动力矩；二是减小转动肢体的转动惯量。,2.跳跃项目中肢体摆动动作的力学分析,（1）起跳缓冲阶段：摆动环节加速下摆，减小了地面对人体的反作用力，有利于迅速降低重心。 （2）蹬伸阶段：加速上摆，有利于增加地面的支撑反作用力。 （3）起跳结束时：摆动环节积极制动。更有利于腾起。同时提高了起跳时身体的重心。,跳高项目,五、动作特征,（一）减小摆动肢体的转动惯量和增加肌力矩可以加大摆动的角加速度。 （二）摆动动作与主体动作之间应当合理配合。 跳跃： 在起跳腿的缓冲阶段，摆动肢体作积极加速下摆； 在蹬伸阶段，摆动肢体加速上摆；离地瞬间，摆动肢体积极制动，减小起跳腿额外负荷的目的。 摆动肢体应当配合起跳腿（主体动作）做恰当的加速与减速运动。 （三）摆动肢体的适时制动是动量矩合理转移的关键。,思考： 1、什么是惯性力？惯性力和相互作用力的区别是什么？ 2、以跳高为例说明摆动动作的合理配合形式。 3、如何加大摆动肢体的角加速度？ 4、简述摆动对短跑、跳跃等运动项目的作用。,
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