運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)-人體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)

1、人體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué),一、人體的簡(jiǎn)化 人體極為復(fù)雜，而人體的運(yùn)動(dòng)更為復(fù)雜，因此必須有條件把人體簡(jiǎn)化才能進(jìn)行研究，這樣便為分析人體動(dòng)作提供方便。（一） 質(zhì)點(diǎn)(只有質(zhì)量而沒有形狀大小) 1．只涉及人體平動(dòng)，不考慮人體轉(zhuǎn)動(dòng)和變形，可簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)。 2．可把人體或器械的重心看做質(zhì)點(diǎn)

2、。,（二） 剛體(既考慮物體的質(zhì)量又考慮物體的形狀和大小) （三） 人體簡(jiǎn)化為物理模型的實(shí)用性和局限性 將人體簡(jiǎn)化為物理模型進(jìn)行力學(xué)研究，這對(duì)學(xué)習(xí)研究帶來很大方便，并且可以取得定量數(shù)據(jù)和資料進(jìn)行分析，可以幫助我們認(rèn)識(shí)一些問題和規(guī)律。然而復(fù)雜人體簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)或剛體后，所得到的數(shù)據(jù)與材料反饋到人體應(yīng)用時(shí)還存在著較大的差距，為此需建立實(shí)體模型。,二、實(shí)體模型的建立,人體是一個(gè)復(fù)雜的開放的巨系統(tǒng)。正確地反映出對(duì)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)

3、起主要作用的力學(xué)因素，建立人體的實(shí)體模型，是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的方向。同一個(gè)實(shí)際對(duì)象，在研究不同物理現(xiàn)象時(shí)，很可能用不同模型代替。 目前體育動(dòng)作研究工作的第一步“各因素關(guān)系”，對(duì)某些動(dòng)作在這方面研究已積累了一些材料，但很多動(dòng)作還未進(jìn)行研究，故此建立人體實(shí)體模型將是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，我們?cè)谧母魑蛔鳛槲磥淼捏w育工作者

4、應(yīng)朝著這個(gè)方向努力，在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)領(lǐng)域中有所建樹。,人體運(yùn)動(dòng)中的參照系與坐標(biāo)系,一、運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性和描述運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性 （一）運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性 自然界一切物質(zhì)都是永恒地運(yùn)動(dòng)著、變化著，所有自然現(xiàn)象是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的各種形式。從這種意義上來說運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的。 （二）運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性

5、 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)就是機(jī)械運(yùn)動(dòng)，即物體隨時(shí)間變化而導(dǎo)致空間的位移，是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最基本的形式。,二、參照系,參照系又稱參考系，是指描述人體是否運(yùn)動(dòng)時(shí)，所選定的作為參考標(biāo)準(zhǔn)的物體或物體群。根據(jù)研究問題的性質(zhì)和方法的不同，可分為兩類不同的參考系：（一）慣性參考系 慣性參考系是指以地球或相對(duì)于地球靜止不動(dòng)的物體、或作勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體作為參考系，通常又稱為靜參考系。,

6、（二） 非慣性參考系 非慣性參考系是指以相對(duì)于地球作變速運(yùn)動(dòng)的物體，或者說以相對(duì)慣性參考系做加速運(yùn)動(dòng)的物體作為參考系，通常又稱為動(dòng)參考系。 如； 在研究短跑運(yùn)動(dòng)中的擺臂動(dòng)作時(shí)，以人體重心作為參考系，看臂隨時(shí)間相對(duì)于人體重心的位置的改變。因?yàn)樵谕瓿审w育動(dòng)作時(shí)，人體軀干或身體重心的位置是不斷改變的，因此他們屬于非慣性參考系。,（三）慣性參

7、考系與非慣性參考系的缺點(diǎn),雖然參考系能描述物體隨時(shí)間變化的位置的改變，但參考系只是定性地表明人體或器械是處于靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，卻不能對(duì)物體或器械進(jìn)行定量的描述。因此必須引進(jìn)一個(gè)精確的描述物體運(yùn)動(dòng)位置變化的方法。,三、坐標(biāo)系,坐標(biāo)系是指設(shè)置在參考系上的數(shù)軸，是參考系的數(shù)學(xué)抽象。它在性質(zhì)上起著參考系的作用，而在數(shù)量上又能精確描述。它的三要素是：參照原點(diǎn)、參照方向、參照單位。,常用的坐標(biāo)系,（一） 一維坐標(biāo)系 （二） 二維坐標(biāo)系（又稱平面

8、坐標(biāo)系） （三） 三維坐標(biāo)（ 空間坐標(biāo)系 ）,四、 參考體的設(shè)置,1．描述整體運(yùn)動(dòng)原點(diǎn)在起點(diǎn) 2．環(huán)節(jié)相對(duì)重心的運(yùn)動(dòng)原點(diǎn)在重心 3．環(huán)節(jié)相對(duì)關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)原點(diǎn)在關(guān)節(jié) 4．勻速直線運(yùn)動(dòng)的原點(diǎn)在起點(diǎn)或支撐點(diǎn)

9、 5．繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的原點(diǎn)在定點(diǎn),人體運(yùn)動(dòng)的分類和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,一、人體運(yùn)動(dòng)的分類 把人體簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)，可將人體運(yùn)動(dòng)分為直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)；如把人體簡(jiǎn)化為剛體，可將人體運(yùn)動(dòng)分為平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)。,變速直線運(yùn)動(dòng)：在任意相等時(shí)間內(nèi)通過的路程并不都相等。 勻變速直線運(yùn)動(dòng)：當(dāng)人體沿任意相等的時(shí)間內(nèi)，速度變化量都相等。自由落體的公式為：

10、 1．Vt=gt 2． H=1/2gt 3． Vt=2GH1/2 豎直上拋運(yùn)動(dòng)的公式： 1． t= V0/g； 2．H=V20/2g。,平動(dòng)：人體內(nèi)任意兩點(diǎn)的連線，在運(yùn)動(dòng)過程中始終保持平行。例如，滑冰運(yùn)動(dòng)員凳冰后在直線上依慣性滑行，即為直線運(yùn)動(dòng)。 轉(zhuǎn)動(dòng)：人體內(nèi)的各點(diǎn)都繞同一軸線（轉(zhuǎn)軸）作圓周運(yùn)動(dòng)。如投擲鐵餅的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

11、 復(fù)合運(yùn)動(dòng)：既有平動(dòng)又有轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。如走、跑、滑冰、滑雪都是一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)，在研究中通常將復(fù)合運(yùn)動(dòng)分解為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分分別進(jìn)行討論，然后加以綜合，以達(dá)到簡(jiǎn)化的。,二、人體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,（一）空間特征 空間特征是表明人

12、體在運(yùn)動(dòng)時(shí)的空間位置以及描述人體運(yùn)動(dòng)的范圍，包括路程和位移。路程是指人體從一個(gè)位置移到另一個(gè)位置時(shí)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)路線的長(zhǎng)度，它是一個(gè)標(biāo)量，只有大小，沒有方向。位移是指人體運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)到終止點(diǎn)的直線距離，它是一個(gè)矢量，既有大小又有方向。,1、直線運(yùn)動(dòng)的位移和路程 在直線運(yùn)動(dòng)中，路程數(shù)值的大小等于位移數(shù)值的大小。例如，100m從起點(diǎn)跑到終點(diǎn)，其位移大小與路

13、程大小是相等的。,2、 曲線運(yùn)動(dòng)的路程和位移,在曲線運(yùn)動(dòng)中，位移數(shù)值的大小并不等于路程數(shù)值的大小，一般小于路程。例如從起點(diǎn)繞400m田徑場(chǎng)內(nèi)跑一圈，經(jīng)過的路程為400m，而位移則等于零。跑200m內(nèi)道時(shí)，路程為200m，位移則為112.13m。 按三角形法則或平行四邊形法則合成。,（二）時(shí)間特征,1．時(shí)刻 時(shí)刻是人體或器械

14、空間位置的時(shí)間量度，是時(shí)間上是一個(gè)點(diǎn)，它用于運(yùn)動(dòng)的開始、結(jié)束和運(yùn)動(dòng)過程中許多重要位相的瞬時(shí)。 例如,足蹬離起跑器時(shí)，表示蹬起跑器結(jié)束瞬時(shí)；跳高、跳遠(yuǎn)起跳時(shí)，表示足離地面的瞬時(shí)等。,2．時(shí)間,時(shí)間是運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)時(shí)刻與開始時(shí)刻之差值，運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間是運(yùn)動(dòng)始末兩個(gè)時(shí)刻之間的時(shí)間間隔。 例如，擊打棒球、乒乓球時(shí)，雖然時(shí)間很短，但此時(shí)擊球的時(shí)間為Δt=t

15、1-t0,（三）時(shí)空特征,1．速度 速度是指人體所經(jīng)過的位移與通過這段位移所用時(shí)間之比，是描述人體運(yùn)動(dòng)快慢的物理量。在直線運(yùn)動(dòng)中為V=ΔS/Δt，在曲線運(yùn)動(dòng)中V=r2-r1/t2-t1=Δr/Δt。,2、速率,速率是指人體運(yùn)動(dòng)所經(jīng)過的路程與通過這段路程所用的時(shí)間之比，是描述人體運(yùn)動(dòng)快慢程度的物理量，只有大小，不表明方向。,三

16、、運(yùn)動(dòng)學(xué)量的特征,1．瞬時(shí)性 2．矢量性 3．相對(duì)性 4．獨(dú)立性,人體運(yùn)動(dòng)中速度變化的規(guī)律,

17、一、平均速度和瞬時(shí)速度 （一）平均速度 在變速直線運(yùn)動(dòng)中，人體的位移與這段位移所需時(shí)間之比，稱人體在這段時(shí)間內(nèi)（或這段位移）的平均速度。（二）瞬時(shí)速度

18、 人體在某一時(shí)刻或通過運(yùn)動(dòng)軌跡某一點(diǎn)時(shí)的人體在這一時(shí)刻或這個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)速度。,二、 平均加速度和瞬時(shí)加速度,（一）平均加速度 人體運(yùn)動(dòng)的速度變化量與這種變化所用的時(shí)間之比稱加速度。即a=ΔV/Δt。 （二）

19、瞬時(shí)加速度 瞬時(shí)加速度是小指人體運(yùn)動(dòng)在某一時(shí)刻或某一位置的加速度，當(dāng)Δt趨于零（Δt不等于零）的極限值，人體的平均加速動(dòng)即為瞬時(shí)加速度加速度。,（三）曲線運(yùn)動(dòng)中的瞬時(shí)加速度,1．法向加速度（向心加速度） 人體作

20、勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)沿切線方向的加速度，其公式為a=V2/R. 2．變速圓周運(yùn)動(dòng)中的法向加速度和切向加速度 變速圓周運(yùn)動(dòng)是指物體運(yùn)動(dòng)不斷變化的圓周運(yùn)動(dòng)。A=at+an。,三、速度的合成與分解,（一）運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性原理 人體或物體同時(shí)參與幾個(gè)運(yùn)動(dòng)(分運(yùn)動(dòng))，則每一個(gè)運(yùn)動(dòng)不受其他分運(yùn)動(dòng)的影響，人體或物體的運(yùn)

21、動(dòng)是由各個(gè)彼此獨(dú)立進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)疊加原理。,（二）絕對(duì)速度、相對(duì)速度和牽連速度,（1） 絕對(duì)速度：研究對(duì)象相對(duì)于靜參考系的速度稱絕對(duì)速度（Va）。 (2) 相對(duì)速度：研究對(duì)象相對(duì)于動(dòng)參考系的速度稱相對(duì)速度（Ve） (3)牽連速度：動(dòng)參考系原點(diǎn)相對(duì)于靜參考系的速度稱牽連速度（VT） 其三者的關(guān)系是Va=Ve+ VT。（舉例說明）,運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的采集,運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)包括位移、角位移、速度、角速度、加速度、角加速度等。主要測(cè)量方法有：平面

22、定點(diǎn)定機(jī)攝影法、平面定點(diǎn)跟蹤攝影法、平面定軌跟蹤攝影法、立體定點(diǎn)定機(jī)攝影法、立體定點(diǎn)定跟蹤攝影法等。,攝影方法,1、攝像機(jī)的選擇 拍攝頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)所拍攝的畫面數(shù)稱拍攝頻率。,2、拍攝方法,1、根據(jù)項(xiàng)目特征和技術(shù)分析要求確定拍攝范圍；2、把攝像機(jī)固定在三角架上，對(duì)攝像機(jī)的拍攝距離、機(jī)高、取景范圍、焦距等按要求選用合適并固定；3、拍攝比例尺；4、拍攝所選定的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，并做好記錄。,平面拍攝注意事項(xiàng),1、攝像機(jī)主光軸

23、應(yīng)與運(yùn)動(dòng)平面垂直，對(duì)準(zhǔn)拍攝區(qū)域的中心。2、攝像機(jī)盡可能遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)平面，通常拍攝距離應(yīng)為拍攝范圍的5-6倍。3、背景顏色應(yīng)與人體顏色有較大的反差，使圖像較清晰。4、正確確定拍攝速度。5、正式拍攝前，需拍攝比例尺。6、拍攝時(shí)要做好備忘錄，如運(yùn)動(dòng)員參數(shù)、成績(jī)、比例尺長(zhǎng)度、拍攝距離、機(jī)高等。,2、圖像解析與數(shù)據(jù)處理,一、圖像解析1、將拍攝在錄像帶上的圖像轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可讀的數(shù)字化圖像文件。2、解析比例尺確定圖形尺寸與實(shí)際尺寸之間的比例

24、系數(shù)。3、利用圖像解析軟件確定人體各關(guān)節(jié)點(diǎn)的像空間坐標(biāo)。4、將人體各關(guān)節(jié)點(diǎn)的像空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為真實(shí)空間中的坐標(biāo)以及建立原始數(shù)據(jù)文件。二、數(shù)據(jù)處理1、數(shù)據(jù)平滑2、數(shù)據(jù)分析,（三）速度的合成,由已知兩個(gè)或幾個(gè)分運(yùn)動(dòng)的速度（分運(yùn)動(dòng)）求合運(yùn)動(dòng)的速度（合速度），稱求速度的合成。,根據(jù)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)速度方向之間的夾角不同，有以下幾種情況,第一、 當(dāng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)速度方向一致而且平行時(shí)，則合速度為：V=v1+v2第二、當(dāng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)速度方向互成直角時(shí)，則合

25、速度大小為V=(V21+V22)1/2 第三、當(dāng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)速度方向不成直角，而成銳角θ，則合速度為V=(V21+V22+2V1V2cosθ)1/2。,（四）速度的分解,由已知合速度求兩個(gè)（或幾個(gè)）分速度，稱為速度的分解。速度分解也是按平行四邊形法則進(jìn)行，即以合速度為對(duì)角線畫平行四邊形，求出分速度。,（五）合成運(yùn)動(dòng)中的合加速度,在任一瞬時(shí)，運(yùn)動(dòng)物體的絕對(duì)加速度（aa）等于運(yùn)動(dòng)物體牽連加速度（ae）與相對(duì)加速度（at）的矢量和。在運(yùn)動(dòng)為平動(dòng)

26、時(shí)的加速度合成定理：aa= ae+at 當(dāng)牽連速度不是平動(dòng)時(shí)的加速度合成時(shí)其絕對(duì)加速度表達(dá)式為： aa= ae+at+ac(ac為科里奧利加速度。)。,人體轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng),一、角位移

27、 對(duì)人體而言，人體各點(diǎn)的半徑在相同的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過相同的角度。它是標(biāo)量 。,二、角速度與角加速度,（一）角速度 角速度是指人體在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度，用ω表示。平均角速度僅僅表示一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢和轉(zhuǎn)向。 （二）角加速度

28、 角加速度用以表示物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)角速度變化的快慢和指向，是轉(zhuǎn)動(dòng)中角速度的時(shí)間變化率。轉(zhuǎn)動(dòng)物體在某一時(shí)刻t1角速度為ω1，在時(shí)刻t2，角速度為ω2，在Δt時(shí)間內(nèi)，角速度的變化為Δω， 則β=ω2-ω1/ t2- t1,三、角速度、轉(zhuǎn)動(dòng)半徑與線速度的關(guān)系,1、線速度 人體繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，人體某一點(diǎn)的速度。如：人體繞單杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，人體重心的運(yùn)動(dòng)速度

29、即為線速度。其公式為V=ωR. 2、角速度是從整體上描述轉(zhuǎn)動(dòng)物體轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢，而用線速度則具體考察轉(zhuǎn)動(dòng)物體上某點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)快慢。,在運(yùn)動(dòng)實(shí)踐中，可以通過提高肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度和伸直整個(gè)上肢以加大轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的方法來提高轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)節(jié)遠(yuǎn)端（手）的線速度。例如，排球扣球動(dòng)作，先是屈臂在肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)以提高角速度ω1，在扣球前，肘關(guān)節(jié)伸直，提高肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω2，同時(shí)又增長(zhǎng)了以肩關(guān)節(jié)為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，提高手運(yùn)動(dòng)的線速度，擊球迅速（時(shí)間短），則擊球所受之力

30、極大。,四、角位移、弧長(zhǎng)和肌拉力角的關(guān)系,1．肌拉力角小，反映了該肌肉在收縮前被拉長(zhǎng)，提高了肌肉的興奮性，使肌肉收縮時(shí)增大了肌肉的收縮力。 2．肌力提高有利于肌力矩加大，促進(jìn)角速度、角加速度的增大。 3．轉(zhuǎn)動(dòng)物體角速度、角加速度的增大，又能增大轉(zhuǎn)動(dòng)物體遠(yuǎn)端的線速度。,體育運(yùn)動(dòng)中的拋體運(yùn)動(dòng),一、平拋運(yùn)動(dòng)與斜拋運(yùn)動(dòng) 平拋運(yùn)動(dòng)：若將桌面的小球水平地?fù)舫?，小球離開桌面以后將沿曲線運(yùn)動(dòng).。

31、 斜拋運(yùn)動(dòng)：可以看作是物體由于慣性斜向上（下）方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向做自由落體運(yùn)動(dòng)的合成。,二、影響拋射體遠(yuǎn)度的運(yùn)動(dòng)學(xué)因素,由公式s=v022sin2α/g可看出，影響拋射體遠(yuǎn)度的因素有： 1．V0是起跳離地瞬間人體重心的初速度。

32、 2．α是起跳離地瞬間人體重心的初速度與水平面的夾角。 3． H是起跳離地瞬間人體重心與地面的垂直距離（與人體的身高、動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)有關(guān)）。 4．最適合的起跳角度是18-23度、鉛球的出手角度為38-42度。,三、影響拋射高度的運(yùn)動(dòng)學(xué)因素,其公式為H=v20sin2a/2g

33、 1．V0起跳離地瞬間人體重心的初速度。 2.α起跳離地瞬間人體重心的初速度與水平面的夾角。 3.H起跳離地瞬間人體重心與地面的垂直距離（與人體的身高、動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)有關(guān)）。,四、拋點(diǎn)與落點(diǎn)在同一水平面上的斜拋運(yùn)動(dòng) 五、拋點(diǎn)與落點(diǎn)不在同一水平面上的斜拋運(yùn)動(dòng)