运动生物力学多媒体教学5第五章

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1、第 五 章 人 体 运 动 的 转 动 力 学 人 体 各 环 节 的 运 动 都 是 绕 关 节 轴 的 转 动 。人 体 走 、 跑 、 跳 等 动 作 是 通 过 环 节 的 转动 来 实 现 的 。 在 研 究 人 体 的 转 动 问 题 时 ， 人 体 各 个 组成 部 分 可 自 由 移 动 ， 形 状 也 可 改 变 。 为了 研 究 人 体 运 动 的 规 律 性 ， 必 须 在 一 定条 件 下 将 人 体 当 作 刚 体 处 理 。 5.1体 育 运 动 中 人 体 转 动 动 作 的 类 型 1、 转 动 轴 与 转 动 的 类 型 刚 体 转 动 时 ， 刚 体 上 的

2、 各 点 都 做 圆 周 运 动 ，形 成 大 小 不 等 的 同 心 圆 ， 各 圆 的 中 心 都 位 于 同一 直 线 上 ， 这 条 直 线 叫 做 转 动 轴 。 如 果 转 动 轴 的 位 置 和 方 向 相 对 于 某 一参 照 系 是 固 定 的 ， 称 固 定 轴 ； 绕 固 定 轴的 转 动 叫 定 轴 转 动 。 如 果 转 动 轴 的 位 置 和 方 向 相 对 某 一 参照 系 是 变 化 的 ， 称 动 轴 ； 绕 动 轴 的 转 动叫 动 轴 转 动 ， 又 叫 瞬 轴 转 动 。 2、 人 体 转 动 的 转 动 轴 实 体 轴 当 人 体 绕 固 定 在 地

3、面 上 的 运 动 器 械 转 动 时 ， 器 械 就 是 人 体 转动 的 实 体 轴 。 非 实 体 轴 非 实 体 轴 是 人 体 局 部 肢 体 或 整 体 转 动 时 所 绕 的 位 于 人 体 内 部的 某 特 定 的 直 线 。 如 通 过 关 节 中 心 点 的 关 节 轴 以 及 人 体 的 基 本 轴 。 失 状 轴额 状 轴垂 直 轴当 人 体 作 为 一 个 整 体 发 生 转 动 时 ， 是 通 过 人 体 总 重 心 的 三 个 相 互 垂 直 的 轴 ，来 判 断 人 体 的 转 动 情 况 的 。 以 人 的 总 重 心 为 原 点 建 立 的 三 维 直 角

4、坐 标 系 的 三条 轴 线 ， 即 为 人 体 的 基 本 轴 。 人 体 在 完 成 空 翻 转 体 等 动 作 时 ， 人 体 的 基 本 轴的 空 间 方 位 相 对 于 人 体 是 不 改 变 的 。 失 状 面 额 状 面水 平 面 3、 人 体 转 动 动 作 的 基 本 形 式 有 支 点 有 实 体 轴 的 转 动 人 体 整 体 绕 固 定 在 地 面 上 的 运 动 器 械 的 转 动 ， 即 为 有 支 点 有实 体 轴 的 转 动 。 如 体 操 动 作 中 不 脱 离 器 械 握 点 的 摆 动 、 回 环 ； 类的 动 作 。 人 体 的 重 心 轨 迹 近 似

5、为 一 圆 或 一 圆 弧 。 有 支 点 无 实 体 轴 的 转 动 人 体 局 部 肢 体 或 整 体 绕 通 过 人 体 内 部 的 非 实 休 轴 的 转 动 ， 即为 有 支 点 无 实 体 轴 的 转 动 。 如 花 样 滑 冰 运 动 员 冰 上 旋 转 、 投 掷 铁饼 、 链 球 的 旋 转 动 作 以 及 篮 球 运 动 员 的 转 体 动 作 等 。 支 点 又 可 分固 定 和 不 固 定 的 两 种 。 无 支 点 无 实 体 轴 的 空 间 单 轴 转 动 无 支 点 无 实 体 轴 的 空 中 多 轴 向 复 合 运 动 无支点无实体轴的空间单轴转动 无支点无实体

6、轴的空中多轴向复合运动 5.2转 动 运 动 学 R 转 动 刚 体 上 各 点 的 转 动 角 速 度 和 线 速 度 例 题 讲 解 :P123 5.3 转 动 动 力 学1. 形 成 人 体 转 动 的 力 学 条 件 人 体 转 动 ， 一 种 是 人 体 局 部 肢 体 在 肌 肉力 的 作 用 下 ， 牵 引 骨 骼 绕 关 节 轴 的 转 动 ，一 种 是 人 体 整 体 绕 人 体 基 本 运 动 轴 的 转动 。 绕 关 节 轴 的 转 动 人 体 整 体 绕 人 体 基 本 运 动 轴 的 转 动 从 力 学 观 点 出 发 ， 转 动 的 产 生 必 须 保 证 合 外

7、力矩 不 为 零 。 合 外 力 矩 的 概 念 （ 在 静 力 学 中 结 束 过 的 内 容 ） 合 力 矩 的 方 向 * 0iM iii dFdFdFM .2211 在 人 体 转 动 时 几 种 情 况 ： 绕 实 体 轴 的 转 动 合 外 力 矩 不 等 于 零 ， 肌 肉 力 矩 和 重力 矩 之 和 不 等 于 零 。 肢 体 绕 关 节 轴 转 动 力 矩 不 等 于 零 ， 阻 力 （ 包 括 重 力矩 ） 与 肌 肉 力 矩 。 人 体 整 体 转 动 ： 对 一 个 轴 、 两 个 轴 和 三 个 轴 的 合 外 力 矩 分 别 不 等 于 零 。 2、 人 体 转

8、动 惯 量 转 动 惯 量 的 概 念 （ 与 平 动 物 体 质 量的 概 念 对 应 ） 描 述 物 体 转 动 时 保 持 原 来 转 动 状 态 能 力的 物 理 量 。 I为 转 动 惯 量 ， m每 个 质 点 的 质 量 ， r为转 动 半 径 ， 单 位 ： Kgm2 对 一 个 物 体 来 讲 ： 注 意 ： 转 动 惯 量 大 小 必 须 指 明 是 对 哪 个轴 的 。 2mrI 2iirmI 研 究 人 体 转 动 问 题 时 ， 必 须通 过 测 量 来 确 定 。 通 常 将 人 体 简 化 为 规 则 体（ 模 型 ） ， 利 用 数 学 计 算 。 正 是 人

9、体 转 动 惯 量 的 这 种 可 变 性 ， 使 人 体 可 以根 据 不 同 的 动 作 目 的 ， 调 整 身 体 的 姿 势 ， 以 改变 转 动 惯 量 来 达 到 自 我 控 制 的 目 的 。 在 体 育 运动 中 ， 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 身 体 姿 势 来 改 变 转 动 惯量 ， 以 完 成 各 种 高 难 度 动 作 。 平 行 轴 定 理 刚 体 对 O轴 （ 任 意 轴 ） 的 转 动 惯 量 等 于 刚 体 对 通 过其 质 心 轴 ， 并 且 与 O（ 任 意 轴 ） 平 行 的

10、I轴 的 转 动 惯 量 ，加 上 刚 体 的 质 量 与 两 平 行 轴 之 间 的 距 离 平 方 的 乘 积 。 2mdII co d LO CIcIO 2mdII co 大 腿 绕 髋 关 节 额状 轴 的 转 动 惯 量 回 转 半 径 假 如 绕 某 转 动 轴 的 物 体 的 全 部 质 量 集 中 在离 轴 某 一 距 离 的 点 上 ， 即 用 这 个 点 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 。 即 ： mIR 人 体 转

11、动 惯 量 的 特 点 质 量 分 布 不 均 匀 人 体 的 转 动 惯 量 每 时 每 刻 都 在 变 化 ， 因 为 人体 质 量 分 布 因 血 液 循 环 、 呼 吸 的 影 响 随 时 都 在变 化 ， 尤 其 是 运 动 时 ， 人 体 转 动 惯 量 会 随 不 同位 置 的 转 轴 和 身 体 姿 势 的 改 变 而 发 生 相 应 的 改变 。 必 须 进 行 实 际 测 量 随 人 体 姿 势 的 变 化 而 改 变 影 响 人 体 转 动 惯 量 的 因 素 ：l人 体 的 质 量l身 体 形 态 （ 身 高 和 胸 围 等 等 ）l身 体 姿 势 （ 动 作 变 化

12、）l转 动 轴 的 位 置 转 动 惯 量 的 变 化 对 转 动 角 速 度 的 影 响 作 业 ： P151： 1,3,4,5,9 5.4支 撑 状 态 下 的 人 体 转 动 动 作1. 转 动 定 律 （ 与 牛 顿 第 二 定 律 对 应 ） IM maF所 有 转 动 力 学 量 与平 动 力 学 量 对 应 2. 动 量 矩 定 理 M t为 冲 量 矩 ， 它 的 意 义 是 表 示 外 力矩 对 物 体 转 动 的 累 积 效 应 。 I为 动 量 矩 ， 它 是 表 示 刚 体 的 转 动 状态 。 不 同 时 刻 刚 体 动 量 矩 的 变 化 是 外 力 引 起 冲量

13、矩 的 作 用 结 果 。 外 力 矩 越 大 ， 作 用 时 间 越 长 ，刚 体 转 动 状 态 的 变 化 也 越 大 。 动 量 矩 定 理 的 应 用1. 对 人 体 局 部 肢 体 (环 节 )的 运 动 人 体 的 各 种 运 动 状 态 都 以 骨 杠 杆 的 转 动为 基 础 ， 而 骨 杠 杆 的 转 动 状 态 的 变 化 ，则 是 肌 肉 拉 力 矩 的 作 用 结 果 。 在 体 育 动作 中 为 增 大 环 节 的 转 动 效 果 ， 通 常 可 采用 如 下 途 径 ： （ 1） 增 大 肌 力 矩 ： 增 大 肌 肉 对 环 节 的 拉 力 矩 ， 可 以 增

14、大环 节 绕 相 应 关 节 的 转 动 角 速 度 或 角 加 速度 。 而 肌 力 矩 的 增 大 一 方 面 可 增 大 肌 肉收 缩 力 ； 另 一 方 面 增 大 肌 力 臂 。 肌 力 随肌 肉 是 收 缩 而 变 化 ， 肌 力 臂 随 肌 拉 力 角而 变 化 。 故 臀 部 肌 肉 强 壮 的 黑 人 善 于 跳跃 就 是 这 个 原 因 。 黑 人 运 动 员 肌 肉 特 点 （ 2） 减 小 转 动 惯 量 当 肌 力 矩 一 定 时 ， 减 小 环 节 或 环 节 系 对某 轴 的 转 动 惯 量 ， 可 以 达 到 增 大 转 动 角 速 度或 角 加 速 度 的 目

15、 的 。 故 此 ， 在 环 节 绕 关 节 轴的 转 动 时 ， 通 常 采 用 参 与 转 动 的 环 节 或 环 节系 的 质 量 尽 可 能 靠 近 转 轴 的 方 法 。 以 减 小 它们 对 转 轴 的 转 动 惯 量 ， 从 而 提 高 转 动 角 速 度或 角 加 速 度 。 例 如 ； 短 跑 运 动 员 在 摆 腿 时 ， 通 常 需 折 叠大 ， 小 腿 ， 以 减 小 下 肢 对 髋 轴 的 转 动 惯量 ， 从 而 快 速 前 摆 。 而 上 肢 也 是 在 肩 关节 内 摆 动 ， 采 用 屈 前 臂 ， 以 减 小 上 肢 对肩 关 节 的 转 动 惯 量 而 快

16、 速 摆 动 。 跑步动作中大小腿的折叠 2 人 体 整 体 的 运 动（ 1） 利 用 运 动 中 身 体 某 点 的 制 动 ： 例 如 ， 跳 跃 的 制 动 踏 跳 ， 结 果 是 人 体绕 制 动 点 转 过 一 个 角 位 移 ， 使 人 体 获 得 尽可 能 大 的 起 跳 速 度 的 同 时 ， 获 得 尽 可 能 最佳 的 角 度 ， 从 而 跳 得 更 高 更 远 。 跨 栏 起 跨 时 的 支 撑 脚 制 动 作 用 投 掷 标 枪 的 左 侧 制 动 （ 2） 增 大 偏 心 力 矩 的 作 用 人 体 受 偏 心 力 作 用 时 ， 将 对 质 心 产 生 偏 心力

17、矩 ， 此 力 矩 将 使 人 体 产 生 对 质 心 的 角 加 速 度 。例 如 在 完 成 前 空 翻 动 作 时 ， 地 面 对 人 体 的 支 撑反 作 用 力 F通 过 人 体 重 心 后 方 ， 力 的 作 用 线 至身 体 重 心 的 力 臂 为 R， 偏 心 力 矩 M=FR。 根 据动 量 矩 定 理 ， 在 蹬 地 阶 段 人 体 将 获 得 一 定 的 动量 矩 ， 并 以 此 动 量 矩 进 入 腾 空 ， 从 而 有 利 于 完成 前 空 翻 动 作 。 IMFd跳水起跳产生的偏心力矩 （ 3） 利 用 动 量 矩 的 转 移运 动 过 程 中 方 向 不 断 变

18、化 ， 但 对 动 量 矩 的 影响 不 大 。 人 体 整 体 在 绕 某 轴 或 基 本 轴 的 转 动 时 ，往 往 还 伴 随 着 部 分 环 节 绕 基 本 轴 的 转 动 ， 故 此 ，人 体 可 通 过 调 节 各 环 节 的 运 动 形 式 ， 以 实 现 动 量矩 在 身 体 内 的 传 递 和 转 移 。 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 以 获 得 的 动 量 矩 向 相 邻 环 节 传递 和 转 移 。 如 图 ： 投 掷 的 上 肢 用 力 1 2 5.5

19、人 体 无 支 撑 状 态 下 的 转 动 动 作1. 动 量 矩 守 恒 定 律 无 支 持 状 态 为 人 体 腾 空 状 态 。 除 重 力 以 外 ，将 人 体 看 成 一 个 整 体 系 统 ， 那 么 它 受 到 的 合 外力 矩 为 0， 其 总 动 量 矩 将 保 持 不 变 即 为 动量 矩 守 恒 定 律 。 0M tConsII tan 2211 2. 动 量 矩 守 恒 定 律 的 应 用 肢 体 的 相 向 运 动 腾 空 状 态 下 （ 不 计 空 气 阻 力 ） ，人 体 一 部 分 肢 体 以 一 定 的 动 量 矩 绕 转 轴的 某 一 方 向 转 动 时 ，

20、 另 一 部 分 肢 体 就 会以 大 小 相 等 的 动 量 矩 绕 同 一 转 轴 相 反 方向 转 动 ， 这 种 现 象 称 为 “ 相 向 运 动 ” 。这 时 的 动 量 矩 矢 量 和 等 于 0。 肢体的相向运动的实例 空 中 角 速 度 的 变 化 由 于 角 动 量 为 常 量 ,所 有 转 动 的 角 速 度 与 转动 惯 量 成 反 比 . 腾 空 后 的 团 身 减 小 转 动 惯 量 ,加 快 转 动 的 角速 度 . tConsII tan 2211 茹 可 夫 转 椅 实 验 不 同 的 团 身 (转 动 惯 量 )对 翻 转 速 度 的 影 响 5.6转 动

21、作 用 在 体 育 中 的 应 用1. 定 向 作 用 当 动 量 矩 等 于 一 个 恒 量 时 ， 即 动 量守 恒 。 如 果 转 动 惯 量 保 持 不 变 ,则 角 速 度保 持 不 变 。 因 此 ， 转 动 物 体 在 不 受 外 力矩 作 用 时 ， 具 有 保 持 其 转 轴 方 向 不 变 的特 性 ， 称 为 转 动 体 的 定 向 作 用 。 铁 饼 和 标 枪 出 手 时 器 械 的 旋 转 2. 弯 曲 作 用 （ 马 格 努 斯 效 应 ） ： “ 弯 曲 效 应 ” 3. 旋 转 和 反 弹 （ 摩 擦 力 的 作 用 增 加 了 动 量矩 ） ： “ 碰 撞 与 反 弹 ” P146 例 题作 业 P151-152： 8， 12， 18 思 考 题什 么 是 转 动 惯 量 ?决 定 人 体 转 动 惯 量 大 小的 因 素 有 哪 些 ?简 述 动 量 守 恒 定 律 在 体 育 动 作 中 的 运 用 .什 么 是 “ 相 向 运 动 ” ？ 其 作 用 是 什 么 ？“ 定 向 运 动 ” 的 作 用 是 什 么 ？