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运动学总结
第二讲
人体运动的基本知识
第一节人体运动中的参数
*标量
只有大小没有方向的物理量叫标量。
如:
温度、时间
*矢量
既有大小又有方向的物理量叫矢量。
力、位移、速度等力学中的大多数物理量都是矢量。
矢量的合成遵循平行四边形法则。
第一节人体运动中的参数
*运动学参数
时间参数
空间参数
时空参数
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。
(2)时间
是运动结束时刻与运动开始时刻之差值,过程量。
第一节人体运动中的参数
(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。
第一节人体运动中的参数
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。
标量
(2)位移
表示人体在整个运动过程中位置总的变化,
是矢量,是对运动的直线量度。
举例:
100m、400m.
第一节人体运动中的参数
(3)角位移(转动角)Φ
定义:
描述人体转动的空间物理量,人体整体或关节绕某轴转动时转过的角度。
方向:
逆时针转动的为正,顺时针转动为负
单位:
弧度(red)、角度、周。
第一节人体运动中的参数
第一节人体运动中的参数
3.时空参数
(1)速度(V)
速度=位移/时间,
是描述人体运动快慢和方向的物理量,矢量
(2)速率
速率=路程/时间之比,
是描述人体运动快慢程度的物理量,标量
第一节人体运动中的参数
飞行速度最快的球——羽毛球
第一节人体运动中的参数
(3)角速度(ω)
指人体在单位时间内转过的角度.矢量
角速度ω=角位移Ф/时间t
表示物体转动的快慢与转动方向。
单位red/s。
第一节人体运动中的参数
(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。
①直线运动中,速度方向在同一条直线上;
②曲线运动中,由于速度大小和方向均会发生改变,将a分解为两个分量,一个沿法线方向称法向加速度(an),一个沿切线方向称切向加速度(at)。
第一节人体运动中的参数
第一节人体运动中的参数
(5)角加速度
表示人体转动时角速度变化的快慢,用β表示。
指转动中角速度的时间变化率。
人体所有环节的运动均是绕关节轴的转动,因此我们常用角加速度来表征环节运动状态的变化情况。
*人体运动中的量的特征:
瞬时性
矢量性
相对性
独立性
第一节人体运动中的参数
*描述人体运动参数注意问题
1.质点是指具有质量、但可以忽略其大小、形状和内部结构而视为几何点的物体,是由实际物体抽象出来的力学简化模型。
第一节人体运动中的参数
1.质点的运动包括直线运动和曲线运动。
2.直线运动又分为匀速直线运动和变速直线运动,后者在运动中比较多见。
3.曲线的运动方向始终在变化,具有矢量性。
曲线运动又常分为圆周运动和斜抛物体运动。
4.斜抛物体作为质点,在运动中形成的轨迹是一条抛物线。
第一节人体运动中的参数
2.刚体
是由相互间距离始终保持不变的许多质点组成的连续体,它有一定形状、占据空间一定位置,是由实际物体抽象出来的力学简化模型。
在运动生物力学中,把人体看作是一个多刚体系统。
第一节人体运动中的参数
*人体的运动形式
(1)平动:
指运动过程中,身体上的任意两点的连线始终保持等长和平行。
其运动轨迹是直线或曲线,人体平动时,身体上各点的位移、速度和加速度都一致,可简化成质点处理。
第一节人体运动中的参数
第一节人体运动中的参数
*
(2)转动:
指运动过程中,身体上的各点都围绕同一直线(即轴)作圆周运动,称转动。
转动时人体各点距离轴的距离不同,所以其线速度也不同,只能简化成刚体来处理。
第一节人体运动中的参数
第一节人体运动中的参数
(3)复合运动:
人体的绝大部分运动包括平动和转动,两者结合的运动称为复合运动。
如骑自行车时,躯干可近似地看作平动,下肢各关节围绕关节轴进行多级转动。
研究中通常把复合运动分解为平动和转动,使问题大大简化。
人体的机械运动都是在一定的空间和时间中进行的。
第一节人体运动中的参数
*人体的运动有三个面:
水平面:
与地面平行的面,把人体分为上下两部分;
额状面:
与身体前或后面平行的面,把人体分成前后两部分;
矢状面:
与身体侧面平行的面,把人体分为左右两部分。
第一节人体运动中的参数
*人体的运动有三个轴:
横轴(与地面平行且与额状面平行的轴)
纵轴(额状面与矢状面相交叉形成的、上下贯穿人体正中的轴)
矢状轴(与地平面平行且又与矢状面平行的轴,在水平方向上前后贯穿人体)
第一节人体运动中的参数
*人体运动的始发姿势
在康复医学中,为人体运动的始发姿势,即:
身体直立,面向前,双目平视,双足并立,足尖向前,双上肢下垂于体侧,掌心贴于体侧。
其中手的姿势(又名中立位)是手的掌心贴于躯干两侧,是唯一有别于解剖学中的人体基本姿势的,应提起注意。
第一节人体运动中的参数
*自由度
关节面的形态及结构决定了关节可能活动的轴,自由度与关节活动轴有关,关节轴有几个活动方向,就有几个自由度。
例如,髋关节可作屈伸、内收外展、内旋外旋三个轴的运动,有三个自由度。
凡具备两个以上自由度的关节均可产生环绕动作。
肢体一般环绕关节轴来进行旋转活动。
关节轴(即活动轴)可反映肢体活动范围和运动方式。
第三讲
人体运动的基本知识
在运动技术研究中,不仅需要掌握各种动作在时间、空间上所表现出来的差异特征,而且更需要了解产生这些差异的内在原因。
第二节人体运动中的动力学
*学习目标:
1.掌握动力学基本概念,如力、应力和应变、强度和刚度、弹性和塑性、蠕变、应力松弛等。
掌握梅脱、心脏的功能能力、运动能力和靶心率的概念。
2.熟悉牛顿的三个运动定律;熟悉人体的功能关系在制定运动处方中的重要作用。
3.了解人体简化后的主要运动形式,以及动量定理和动量守恒定律。
第二节人体运动中的动力学
一.概念
第二节人体运动中的动力学
2.力(force)是物体间的相互作用。
力三要素:
力的大小、力的方向、力的作用点。
第二节人体运动中的动力学
二.人体内力
内力:
若将人体看作一个力学系统,则人体内部各部分相互作用的力称为人体内力。
如:
肌肉张力、韧带张力、组织粘滞力、关节约束力、各内脏器官的摩擦力、血液淋巴液的流体阻力等等。
第二节人体运动中的动力学
*内力虽然可引起人体力学系统各部分之间的相互作用,但不能引起人体整体运动状态的改变。
第二节人体运动中的动力学
*三.人体外力
若将人体确定为研究对象,即人体力学系统,那么外界对人体作用的力称人体外力。
它可以引起人体由静止状态改变为运动状态。
第二节人体运动中的动力学
*四.人体内力与外力的关系
1.内力与外力的区别
内力和外力的区分是相对的。
如何确定某个力是内力或是外力,取决于研究对象。
由于研究对象的不同,同一个力既可看作内力又可看作外力。
2.内力与外力的相互关系
人体内力不能直接引起人体整体的运动,但可以通过人体与外界环境的相互作用,这时人体内力的合效应可以引起人体特定外力,从而使人体发生整体运动。
第二节人体运动中的动力学
*举例:
跳远的起跳蹬地动作,这时人体依靠下肢肌肉收缩力(人体内力)使下肢诸关节伸,在此过程中人体给地面以作用力,同时地面以支撑反作用力(人体外力)作用于人体,从而改变人体的运动状态。
第二节人体运动中的动力学
*五.人体运动中常见的力
(一)重力
人体重力即地球对人体的引力,是人体各部分受地球引力的矢量合成。
乘座电梯时,在向上升的时候,是一种超重现象;
在向下降的时候,是一种失重现象。
公式:
W=mg。
第二节人体运动中的动力学
(二)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的先决条件,以形变恢复作用于它物体的力。
第二节人体运动中的动力学
举例:
我们在扣打排球时,给排球一个力,排球发生形变,当力去除后,排球恢复其原来的样子。
篮球,它的硬度比排球硬,也就是说不同物体有一定的弹性限度。
第二节人体运动中的动力学
*弹力的方向
一般情况下,凡是支持物对物体的支持力,都是支持物因发生形变而对物体产生弹力。
所以,支持力的方向总是垂直于支持面而指向被支持的物体。
第二节人体运动中的动力学
(二)弹力
(三)摩擦力
摩擦力是两相互接触的物体作相对运动或相对运动趋势时发生的力。
1.静摩擦力
2.滑动摩擦力
3.滚动摩擦力
第二节人体运动中的动力学
1.静摩擦力
*相互接触的两物体有相对滑动趋势,在尚未产生相对滑动时,在接触面上产生阻止其出现相对滑动的力称静摩擦力。
*两物体即将滑动时的静摩擦力称为最大静摩擦力。
*2.滑动摩擦力当物体沿接触面滑动时,所产生的阻碍滑动的力称作滑动摩擦力。
*3.滚动摩擦力
当物体沿接触面滚动时,所产生的阻碍滚动的力称为滚动摩擦力。
产生滚动摩擦力的原因是滚动的物体在和接触面相互作用时总有一些形变。
公式:
F=W.K/R
(k是摩擦系数,R是圆柱体的半径,W是圆柱体的重量。
)
*(四)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,支点又反作用于人体,这种反作用力称支撑反作用力。
第二节人体运动中的动力学
*1.静力性支撑反作用力
由于受到重力对支点产生的压力,支点则对人体产生一个反作用力,它是一种约束反力,称静力性支撑反作用力。
*2.动力性支撑反作用力
人体处于支撑状态,而人体局部环节作加速运动,其结果是给支点以作用力,支点则给人体一个反作用力,称动力性支撑反作用力。
其中局部环节加速度有三种情况。
第二节人体运动中的动力学
*
(1)加速垂直离开支点。
例如,我们站在磅秤上竖直上跳,此时加速度向上,即N-mg=maN>mg.经常出现在人体垂直向上摆臂、蹬离地面时,如跳高时两臂的向上摆动。
(2)加速垂直朝向支点
站在磅秤上竖直下蹲,此时加速度向下mg-N=ma
N=mg-ma也就是N (3)加速斜向离开支点 加速斜向离开支点,支撑反作用力也会增大,并与水平面成一定角度。 例如短跑的后蹬阶段,就是这种情况。 (五)流体作用力 人体或器械在流体介质内进行运动,必然要与流体发生接触,并相互作用,这种作用的力称为流体作用力。 分阻力与动力。 力的大小与速度、流体密度成正比。 举例: 在进行田径赛时要测风速,一般规定风速不超过2m/s,可看出空气动力作用在比赛中的影响是很大。 空气阻力的公式: F=1/2ρCSV2 (S为横截面积,V为流体与人体的相对速度,C为人在水中或物体在水中 的流线型有关)。 第二节人体运动中的动力学 举例: 在游泳项目,当运动员向前游时受到的阻力很大,其中包括粘滞阻力、截面阻力等等。 故此,游泳项目要求S型滑水,这样可增加滑水时间,增加滑静水的时间,也就是有效滑程长。 从而有利于提高运动员的运动成绩。 (六)向心力和离心力 物体在作圆周运动时,必须有一个跟速度方向垂直,并且指向圆心的力作用于进行圆周运动的物体 上,这个力叫做向心力。 公式: F=ma=mV2R (其中V为运动物体的线速度)。 V=ωR,F=mω2R。 第二节人体运动中的动力学 *离心力与向心力是一对相反力, F向=F离=-mω2R。 向心力与离心力之间的关系为: ①它们具有瞬时关系,等大反向。 ②作用点,向心力作用在物体上,离心力作用在人体上。 ③运动方向,向心力和离心力方向相反。 举例: 弯道跑时,身体内倾,单杠时滑脱…… 第三节 牛顿运动定律及其应用 第三节牛顿运动定律及其应用 * (一)牛顿第一运动定律及其应用 * (二) 牛顿第二运动定律及其应用 *(三)牛顿第三运动定律及其应用 (一)牛顿第一运动定律及其应用 任何物体,在不受力作用时,都保持静止状态或匀速直线运动状态。 保持一定的速度比改变速度要容易、省力的多。 特别注意动作的连贯性,尽可能避免平凡地改变运动速度,以减少不必要的负荷。 (一)牛顿第一运动定律及其应用 举例: 举重,动作中途停顿,则会加大动作的难度,甚至会导致动作的失败。 (二) 牛顿第二运动定律及其应用 *当一个物体受到的合外力不为零时,物体运动的加速度与合外力成正比,与其质量成反比,加速度的方向与合外力的方向一致。 *注意: 对质点,方向性, (三)牛顿第三运动定律及其应用 若物体A对物体B作用一力FAB,则物体B同时以力FBA反作用物体A,两力的大小相等,方向相反,并在同一直线上,即FAB=-FBA (三)牛顿第三运动定律及其应用 正确理解和应用牛顿第三定律应注意的几点: (三)牛顿第三运动定律及其应用 *第三运动定律在康复运动中的应用 最重要的是提高肌肉收缩速度和力量,以加大蹬地力从而得到一个大的反作用力,使人体运动状态发生变化。 创造良好的作用条件: 鞋钉、助跑器 第四讲 人体运动的基本知识 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。 第四节人体运动的形式和原理 *学习目标 1.掌握关节运动的形式和各个关节的主要运动方向;掌杠杆原理和关节活动顺序性原理,熟悉相关概念。 2.熟悉人体运动的基本形式,推、拉、鞭打、蹬伸、缓冲的定义,掌握摆动、躯干扭转和相向运动的概念(能够举例说明)。 3.了解人体简化后的主要运动形式(前面已介绍)。 第四节人体运动的形式和原理 (一)人体简化以后的运动形式 人体运动的形式多种多样。 *如上所述,把人体简化成质点,按照质点的运动轨迹可分为直线运动和曲线运动。 *把人体简化成刚体,运动形式包括(平动)、转动和复合运动。 第四节人体运动的形式和原理 * (二)人体关节的运动形式 1.屈曲(flexion)/伸展(extension): 主要是以横轴为中心,在矢状面上的运动。 2.内收(adduction)/外展(abduction): 主要是以矢状轴为中心,在前额面上的运动。 3.内旋(internalrotation)/外旋(externalrotation): 主要是以纵轴为中心,在水平面上的运动。 4.前臂和小腿有旋前/旋后运动。 5.足踝部还有内翻(inversion)/外翻(eversion)运动。 第四节人体运动的形式和原理 推 上肢拉 鞭打 缓冲 人体运动下肢蹬伸 鞭打 摆动 全身躯干扭转 相向运动 第四节人体运动的形式和原理 *(三)人体的基本运动形式 1.上肢的基本运动形式由上肢各关节共同完成。 (1)推: 在克服阻力时,上肢由屈曲态变为伸展态的动作过程。 如胸前传球。 (2)拉: 在克服阻力时,上肢由伸展态变为屈曲态的动作过程。 如游泳。 在运动中,上肢往往是推、拉动作相结合的运动形式,如划船: 有时在伸直时做推拉。 (3)鞭打: 在克服阻力或自体位移时,上肢各环节依次加速、制动,使末端环节产生极大速度的动作形式,叫鞭打动作。 如投掷。 第四节人体运动的形式和原理 *2.下肢的基本运动形式 (1)缓冲: 在克服阻力时,下肢由伸展态转为较为屈曲态的动作过程。 如跳远前起跳时摆动腿的动作。 (2)蹬伸: 在克服阻力时,下肢由屈曲态主动转为伸展态的动作过程。 如跳远前起跳时起跳腿的动作。 (3)鞭打: 在完成自由泳的两腿打水动作时,下肢各环节有类似上肢的鞭打动作。 第四节人体运动的形式和原理 *3.全身基本运动形式 (1)摆动: 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。 第四节人体运动的形式和原理 *3.全身基本运动形式 在人体运动中,肢体的摆动获得的是角加速度,角加速度和线加速度之间存在着如下的关系式: 第四节人体运动的形式和原理 *3.全身基本运动形式 (2)躯干扭转: 在身体各部位完成动作时,躯体上下肢沿身体纵轴的反向转动的运动形式。 第四节人体运动的形式和原理 *3.全身基本运动形式 (3)相向运动: 依据运动形式,把身体两部分相互接近或远离的运动形式称相向运动。 第四节人体运动的形式和原理 人体在腾空状态,由于肌群的收缩使身体两部分同时向相反方向转动称为相向动作。 相向动作时人体在腾空状态下动作的主要表现形式,如挺身式跳远空中动作过程、排球空中大力扣(发)球动作。 第四节人体运动的形式和原理 *力学原理 当人体以初始条件冲量矩为零和动量矩为零进入腾空状态时,若人体一部分环节以动量矩绕身体某轴发生转动时,则必引起人体另一部分环节以动量矩绕同一轴作反向转动,且满足这种动作形式称为¡°相向动作¡±。 第四节人体运动的形式和原理 第四节人体运动的形式和原理 *跨栏中的相向动作 起跨腿时,起跨腿对人体纵轴产生动量矩。 同侧臂必须伸直以增大转动惯量,同时做反向大幅度摆臂动作。 第四节人体运动的形式和原理 第四节人体运动的形式和原理 *(五)人体基本动作原理 1.杠杆原理 运用杠杆原理对运动进行分析,是运动力学研究的重要途径之一。 2.关节活动顺序性原理 3.鞭打动作原理 4.缓冲与蹬伸动作原理 5.摆动动作 6.躯干扭转 7.相向运动 第四节人体运动的形式和原理 *杠杆原理 第四节人体运动的形式和原理 *杠杆原理 第四节人体运动的形式和原理 第四节人体运动的形式和原理 第四节人体运动的形式和原理 杠杆原理在康复治疗学的应用 1.省力: 当阻力一定时通过缩短阻力臂/延长力臂来减少阻力矩,可以达到省力的目的。 第四节人体运动的形式和原理 2.增速 在做投掷或击打动作时,为了提高肢体未端的运动速度,应当尽量伸展肢体。 通过增大阻力臂来增加肢端速度。 第四节人体运动的形式和原理 3.发展肌力 在发展肌肉力量的练习中,为增大肌肉所承受的负荷,既可用增加阻力(负荷重量)的方法,也可用延长阻力臂的手段。 第四节人体运动的形式和原理 *关节活动顺序性原理 1.运动中需要克服大的阻力/需要快的速度时,虽然运动链中各个关节同时用力,但总是大关节最先产生运动,然后依据关节的大小出现一定的先后顺序。 2.其意义在于主动强化训练大关节,发挥其潜力,利于训练的完成。 小关节是人体动作的支撑点,对动作完成后身体的平衡保持有重要作用,还可影响动作时间,提高速度。 3.不需要克服大的阻力/需要快的速度的运动,可以不采用以上所述的顺序。 第四节人体运动的形式和原理 *3.鞭打动作原理 第四节人体运动的形式和原理 第四节人体运动的形式和原理 排球扣球为例 第四节人体运动的形式和原理 *以足球大力踢球为例阐述下肢鞭打动作形式 下肢鞭打动作主要是打击性鞭打动作,其主要目的: 使末端环节获得极大速度。 遵循由近端至远端环节依次加速的关节活动顺序性原理。 第四节人体运动的形式和原理 第四节人体运动的形式和原理 *鞭打动作各环节速度特征 鞭打动作各环节速度特征即每一环节最大运动速度是在前一环节达到最大速度后获得的,近端环节制动的同时远端环节作加速运动,远端环节速度是由近端环节动量传递和速度依次叠加而成的,使远端获得很大的线速度. 第四节人体运动的形式和原理 人体鞭打的理论基础则是通过环节间动量矩的传递以实现末端环节最大动量的获得。 动量矩的传递 人体运动链在鞭打动作中是通过动量矩的传递而实现末端环节最大动量的获得。 鞭打动作中动量矩的传递是通过相邻环节相互作用力产生的冲量矩来实现的。 人作为生物体,在鞭打动作过程中是一个有人的意识参与的过程。 3、人体运动表现为一定自由度内的运动 第四节人体运动的形式和原理 第四节人体运动的形式和原理 鞭打的动作特征 1.参与鞭打的关节表现出活动的顺序性。 关节活动的顺序性有肌肉力矩的大小决定。 2.要重视小关节的作用。 小关节有定向的作用,它的运动质量直接影响到动作的质量和速度。 3.鞭打动作是一个关节肌肉主动力产生新的冲量矩的过程。 4.鞭打动作受关节解剖结构的制约。 4、 冲与蹬伸动作原理 (1)缓冲动作 缓冲是在外力作用下,由伸展下肢的肌肉群作退让(离心)收缩完成的。 缓冲的意义主要有: *减少外力作用: 根据动力定理,当动量变化一定时,力的作用时间延长,可以减小外力对人体的作用。 *缓冲动作是完成动作的重要环节: 用于对动作技术运动学特征分析。 *准备性动作: 提供适宜的肌肉发力条件,为蹬伸创造有利条件。 *非能量代谢的利用: 提高肌肉与肌腱的弹性势能。 (2)蹬伸动作 蹬伸动作原理遵循“关节活动顺序性原理”,即大关节首先活动,大小关节(肌肉)依次活动(用力)原理。 5、 摆动动作 (1)摆动的运动学特征 (2)摆动动作的合理配合形式 (3)摆动的作用 *提高重心相对高度 *增加起跳力量 6、 躯干扭转 *协调身体动作 *增加动作幅度,提高动作效果 7、 相向运动 *维持人体在空中的稳定性 *增加动作效果 思考题 *人体运动的基本原理有哪些? *什么是“大关节活动顺序”原理? 举例说明它在动作中的作用。 *摆动的作用是什么? 试举例进行说明。 第五节人体运动的静力学 *学习目标 1.掌握静力学的概念和作用; 2.掌握力矩、力偶、力的平移定理,稳定角、平衡角、稳定系数和人体重心的概念,以及人体重心的位置。 3.熟悉恢复力矩、倾倒力矩的概念,和保持人体平衡的条件。 人体运动的静力学 *人体静力学是研究人体在外力作用下处于平衡状态下的性质和行为的力学分支。 *它是主要讨论人体在完成静力性动作,即处于相对静止的姿势(或称平衡状态)时的受力情况,以及获得和维持平衡的力学条件。 掌握人体运动的静力学的重要性 *康复治疗对象的问题主要是运动功能障碍,其平衡功能的恢复对其身体姿势的保持、意外摔伤的预防和全身运动功能的恢复至关重要,不仅要恢复他们的坐位和立位的自动态和他动态的静态平衡,还要恢复其行走、从事各种医疗体操、健身和家务劳动等活动中的动态平衡。 一、人体平衡 (一)相关概念 *1.力矩是力对物体转动作用的量度,是力和力臂的乘积。 力使物体绕点或定轴转动,其效果除了取决于力的大小和方向以外,还取决于所围绕的定点或者定轴与作用线的距离。 只有与轴既不平行,也不相交的力才能使物体转动,且起作用的仅仅是该力在垂直转轴平面内的分力。 *通常规定从轴的正面看去,力使物体按逆时针方向转动时,
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