生物力学概论学习.docx

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生物力学概论学习

运动训练生物力学

学

习

笔

记

学校：

:

广州体育学院研究生部

专业：

:

运动训练

学号：

:

105852011400049

姓名：

:

张江龙

第一章生物力学概论

一．生物力学的定义

生物力学是研究生物系统机械运动特点及规律的科学。

它既包括从宏观的角度对生物体整体和器官，组织的运动以及机械特征的研究，又包括从宏观和微观的角度对不同层次的生物组织结构内部的运动和变化进行研究。

生物力学是一门力学与生物学科相互结合相互渗透的边缘学科。

1.运动生物力学

运动生物力学是研究体育运动中人体机械运动特点及规律的科学

2.运动训练生物力学

它利用力学原理和各种科学方法，对体育运动中人体的运动行为作定量的描述和分析，并结合运动解刨学和运动生理学的生物原理对运动进行综合评定，从力学和生物学的相关关系中得出人体运动的内在联系和基本规律，从而确定不同运动项目运动行为的不同特点

运动生物力学

密切关注并研究体育运动对人体的有关器官的结构及机能的反作用，最终以指导运动训练为宗旨

3.运动生物力学研究的目的

运动生物力学研究的目的主要是探索不同运动项目的力学原理与规律，为科学训练提供必要

的理论依据及方法，以提高竞技体育成绩和增强人类体质。

二．人体机械运动的特点

1.人体运动

2.人体的机械运动

人体的机械运动是在意识的支配下所完成的带有明确目的和一定意义的一系列动作行为。

因此人体的机械运动可以说是人体高级运动形成的一种外在表现。

人体的机械运动是在外部作用力和内部肌肉张力的作用下产生的。

所以要想揭示人体机械运动的规律，不仅要研究力学的因素，而且还必须探讨其生物学方面的因素。

需要强调的是：

对于分析一般的机械系统的运动，无须对引起该系统的运动发生变化的原动力来源加以仔细研究，提供符合要求的动力装置并非是力学研究者所要研究的对象。

然而，使人体运动发生变化的原动力-------肌肉张力确是生物力学研究者必须关注的一个问题。

肌肉力学是研究人体机械运动规律的基础。

物体系统作为整体相对于周围参照物体的位移运动

机械运动的表现形式

.

系统本身发生的变化

注意：

人体在运动过程中既受自身生物学和生物力学因素的制约，又受到外部力学因素和运动规则的制约。

因此必定可以找到客观存在的最合理的最有效的运动技术，以求到最好的运动成绩。

寻求合理和有效的运动技术包括两方面的研究内容：

一是提示动作技术原理，二是制定最佳运动技术方案。

三．生物力学的任务

1.研究人体结构和机能的生物力学特征

2.揭示动作技术原理，建立合理的动作技术模式

长期的运动实践

技术动作形成的两个途径

利用生物力学理论揭示

运动技术的原理及创造新的技术动作

3.进行生物力学诊断，制定最佳运动技术方案

4.为设计和改进运动器械提高生物力学依据

四．生物力学原理对技术训练的指导作用

1.运动技术训练必须符合动作技术的生物力学原理

2.技术动作训练中各要素的总体最佳化

3.通过技术诊断调控技术训练过程

4.技术训练中的区别对待

五．总结

生物力学就是将力学原理与人体生理学解剖学原理相融合对人体的运动技能进行定量分析的一门应用型学科。

生物力学的任务是定量的分析动作技术的生物力学原理，是动作更加合理化；探究新的技术动作的产生，为运动员更好的获取运动技能，预防损伤提供理论指导。

第二章肌肉生物力学

肌肉与人体的其它软组织不同，在神经的控制下，它能使化学能在体温下转化为机械能。

人的肌肉可分为三大类：

骨骼肌、心肌和平滑肌。

它们的组织成分相同，收缩的生化机理相近，但在结构、功能和力学性质上有着许多的差别。

本章将着重对人体骨骼肌的有关力学方面的特征进行阐述。

一．肌肉的力学特征

1.肌肉的伸展性和弹性

肌肉在外力的作用下能别拉长的特性称为肌肉的伸展性，使肌肉伸展的外力除去后又会恢复到原来长度的特性称为肌肉的弹性。

2.肌肉的粘滞性

●肌肉的粘滞性是指肌肉收缩时，由于肌纤维内胶状物质分子间的摩擦及肌纤维彼此间摩擦产生阻力，使肌肉活动迟缓的特性。

●温度低，粘滞性增大；温度升高，粘滞性降低。

●运动前做准备活动，使体温升高，减少肌肉粘滞性产生的阻力，增加肌肉的收缩速度，提高肌肉的工作能力和预防肌肉的拉伤。

3.肌肉的松弛

肌肉不具有完全弹性，而有明显的时间效应，其时间越延长，其力量速度就越下降，故把肌肉的这种特性称为肌肉的松弛。

二．肌肉结构的力学特征

1.模型的建立

肌肉结构的力学模型又称为三元模型，由收缩成分和弹性成分组成。

肌束膜

并联弹性成分

肌纤维膜等结缔组织

模型的弹性成分

肌原纤维过度到骨骼上的肌键

串联弹性成分

肌原纤维的肌节各阶段间的弹性纤维

模型的收缩成分相当于肌原纤维的肌节部位。

肌节由肌动蛋白微丝肌球蛋白微丝构成，当肌肉兴奋时肌动蛋白微丝与肌球蛋白微丝发生相互机械滑动，从而导致肌肉张力和长度的改变。

图2-1肌肉结构力学的模型

整块肌肉可认为是由许多这样的模型混连在一起的。

模型的串联构成肌肉的长度；其并联构成肌肉的厚度，多个模型串联而成的肌肉，当各个收缩元产生相同的收缩力时，每个模型受到的外力相等，也等于整个肌肉两端的外力。

而肌肉的伸长或缩短的总长度却等于各个模型伸长或缩短之和。

由此可见，肌肉长度的增加对其收缩速度有良好的影响，但不影响它的收缩力量。

肌肉缩短时，如果各个模型产生同样的形变，那么肌肉两端的作用力是各个模型对其两端作用力之和。

而肌肉的形变与模型的形变相同。

多个模型并联而成的肌肉，因生理横断面的增加会使肌肉收缩力的增加，但不会影响肌肉的收缩速度。

2.模型的性质

（1）平衡长度

肌肉在无负荷状态下的长度称为平衡长度。

（2）潜伏期

生物力学研究表明,肌肉的兴奋与产生的收缩并不同步，肌肉兴奋后收缩元的张力首先使串联弹性元变形，其张力发生变化，因此肌肉张力的发展需要一个过程，把这个过程称为潜伏期。

当肌肉受到的载荷越大时，其潜伏期就越长。

提高肌肉的预张力可以缩短动作的潜伏期。

（3）总张力

依据肌肉结构力学模型可知，肌肉的总张力是由收缩元产生的主动张力和并联弹性元、串联弹性元的被动张力叠加而成。

三．肌肉收缩的力量、速度及功率的关系

1.希尔方程

（a+T）（V+b）=b（T0+a）其中a为实验中的力学常数,希尔进一步研究又发现参数a=0.16T0+0.18T,方程中b为实验中速度常数。

T0为肌肉收缩时产生的张力，T为肌肉放松时产生的张力。

V为肌肉收缩的速度。

2.希尔方程曲线（F-V）

T（g）

由上图可知，肌力随着肌肉收缩速度的减慢而逐渐增大，当肌肉收缩的速度减慢至零时，肌力最大。

解释：

肌力随着肌肉收缩速度而下降的原因是由于收缩成分中横桥在断开与联系时损失了肌力，以及收缩成分和结缔组织中的流体粘滞性所致，因此随着收缩速度的增加，需要更大的内力克服这些粘滞力，并造成肌肉张力更明显的下降。

3.肌肉收缩的力学效应与特点

（1）肌肉拉力及其结构

第三章人体运动的静力学

一．身体的平衡

1.身体平衡的条件：

∑Fi=0,∑Mi=0

2.影响平衡的力学要素

（1）支撑面

（2）身体重心（3）稳定角（4）平衡角（5）稳度系数

二．人体重心及测定

1.人体重心的概念及位置

概念：

人体各部分所受地心引力的合力

位置：

据测定，当身体处于正常的解刨状态时，重心位置一般在身体正中面上第三0椎上缘前右上方7cm处。

重心的位置随人体姿势、体质、年龄、性别等变化，一般来说，当人体自然站离时，重心的高度可以用下面公式计算

男子：

H=身高X56%女子=身高X55%

2.用合力矩测定人体重心的方法

（1）环节的相对重量（ai）

环节的相对重量（ai）=pi/p,pi表示环节的绝对重量，p表示人体的重量

而布拉温与菲舍尔通过尸体切割法得出人体各环节的相对质量重要数据：

头

躯干

上臂

前臂

手

大腿

小腿

足

0.07

0.43

0.03

0.02

0.01

0.12

0.05

0.02

（2）环节重心半径系数（bi）

bi=l/L*100%其中l为环节重心到近端关节中心的长度，L为环节的绝对长度。

根据布拉温与菲舍尔的实验得出各环节重心半径系数为：

躯干

大腿

小腿

足

上臂

前臂

0.44

0.44

0.42

0.44

0.47

0.42

关于头的重心确定方法是：

从耳廓上缘作垂直线与两眉中心垂直线的交点，即为头的重心位置。

（3）计算身体重心位置的基本公式

X=∑ai*xiY=∑ai*yi

其中X,Y分别为身体重心的坐标，xi，yi分别为环节重心的坐标。

（4）测定人体重心的步骤

●在图片上确定出各关节中心

●连接相邻两关节中心，并量出各环节的长度（L）

●利用公式li=bi*L,计算出各环节的重心位置，并在图片上表示出来

●确定头手的重心位置

●在图片的平面内任意建立一直角坐标系OXY，并测出各环节重心的xi,yi坐标

●分别算出各环节对X、Y轴的相对力矩ai*xi和ai*yi

●利用公式X=∑ai*xi、Y=∑ai*yi，求出各环节相对于X、Y轴的合力矩

●最后在图片上标明人体重心的X、Y坐标

3.目测法测力矩

●找准对方上下、左右质量分布对称线，两线之交点即为对方身体重心所在

●建立一个矩形其对角线的交点便为对方身体重心的所在点

第四章人体运动学与测试方法

人体运动的运动学其任务就是通过位置、速度、加速度等物理量描述和研究人体以及器械的位置随时间变化的规律或运动过程中所经过的轨迹，而不考虑导致人体和器械位置与运动状态改变的原因。

一.运动的相对性及参考系

1.参考系与坐标系

在运动生物力学中还要遇到惯性参考系和非惯性参考系的问题

（1）惯性参考系

把相对于地球静止的物体或相对于地球匀速直线运动的物体作为参考标准的参考系叫惯性参考系，又称为静坐标或静系。

（2）非惯性参考系

把相对于地球做变速运动的物体作为参考标准的参考系叫非惯性参考系，又称为动参考系。

二．人体运动的基本形式

三.运动的基本特点与规律

1.基本物理量与特性

轨迹路程位移运动时间运动时刻速度加速度速度的合成与分解在实际训练中的应用。

2.质点的复合运动

（1）绝对运动

运动着的质点现对于静参考系的运动称为绝对运动，与之所对应的速度称为绝对速度（Va）

（2）相对运动

动点相对于动参考系的运动称为相对运动，与之所对应的速度称为相对速度（Vt）

（3）牵连运动

动参考系相对于静参考系的运动称为牵连运动，与之对应的速度称为牵连速度（Ve）

（4）描述人体运动的基本方法

●运动方程法

●图像法

●表格法

四．运动学参数测试方法

运动学参数的测试方法包括电学法、光学法和光电技术法等

1.电学法

电学法是利用电测仪器将非电量的人体运动学特征量转换为电信号，然后加以分析、处理。

经常采用的电测方法有两种：

（1）角度传感器

角度传感器能将关节角度的变化转换为电信号。

优点：

是测试周期短；

缺点：

是他对动作的完成有一定的影响，容易造成动作失真。

（2）加速度传感器

加速度传感器是用于测试人体运动时某一部分的加速度，或者测试运动器械的加速度。

优点：

测试周期短，可以实时测试和处理

缺点：

只能测出相对运动的特征量，另外，由于加速度传感器必须与被测对象连接，因此它对被测试对象的运动有干扰作用。

若与器械连接，则给器械添加额外的重量；若与人连接，则容易造成动作失真。

2.光学法

光学法是利用光学仪器成像技术原理测试人体运动学特征量，并加以解释处理和分析。

经常采用的光学法有两种

（1）高速电影摄像

高速电影摄像是采用高速摄影机对运动进行摄影，然后对胶片进行冲洗，最后用影片解析仪解析，获得运动学参数。

摄影测量法是最普遍使用的方法,也是相对成功的方法.

优点;非接触式测量,且可以把动作重复再现，便于比较、分析和保存。

缺点：

时间周期长，计算工作量大，不能直接反馈于研究客体进行实时处理，故不能对运动员进行现场指导。

（2）录像测量

录像测量解析系统，该系统非常适用于运动动作分析的快速反馈，而且反馈的图像数据还伴随数据分析，有利于运动训练现场改进技术，是一种良好的辅助训练系统。

3.光电图像分析系统

4.光电图像分析系统是一种比较先进的运动学测试手段，它具备电影及录像测量难以实现的优点，比较典型的是selcom公司研制的selspot红外摄影系统。

测量方法:

这种系统要在待测点上放置红外光源，这些小光源连续闪烁，闪光源的x、y、z坐标位置可由专门摄像机直接测量，摄像机也是由标准镜头组成，它吧红外点光源对焦在机内的光电半导体阵面上，在相应位置发出x、y、z坐标的电信号。

随着闪光源的连续进行，便可把一系列x、y、z坐标的电信号送到计算机中去。

这种装置可在运动结束后立即进行各种运动学参数的计算并输出结果。

第五章人体动力学与测试方法

人体动力学则是研究人体运动状态的变化和种引起这变化的力之间的关系，既把人或器械运动状态变化的原因揭示出来。

一．运动中的力

1.内力与外力

肌力可以使身体各环节绕其重心轴作相向运动，但并不能改变身体重心运动的抛物轨迹，，只由人体腾起时初速度和腾起角度决定。

内力，如肌力，在人体内力与外力无相互作用时，，内力只能决定身体内各环节的运动状态，，但不能改变整个身体的运动状态。

2.内力和外力的相互作用

●外力引起内力

●内力引起外力

●人体的运动既取决于内力，也取决于外力，取决于他们如何统在整个运动所构成的动力结构之中。

二．牛顿三定律在体育运动中的应用

三．动量定理在体育中的运用

四．功能原理在体育中的应用

五．动力学参数的测试方法

（一）肌力矩的测试方法

肌肉收缩有静态力（等长收缩）和动态力（等张收缩）之分

1.静态肌力矩测试方法

静态肌力矩是指某环节肌肉最大等长收缩力对关节中心点的力矩，一般不考虑时间因素。

测定静态力矩的方法有：

：

●弹簧测力计：

：

弹簧在其弹性范围内伸长量反映了外力的大小

●电学测力计：

；是利用非电量电测技术原理生产出来的测力计。

如国外生产的定量的综合力量测定器ELAG肌力计，，这种仪器可以测得50种不同肌群的静态力矩。

2．.动态肌力矩测试方法

动态肌力矩是指某环节的肌肉等张收缩或等动收缩力对关节中心点的力矩。

肌肉在等张收缩时发挥出的肌力矩不是一致的，速度也不是恒定的，因而需要测定出肌力和速度随时间的变化的动态过程。

我们称为等张测力。

肌肉做等动收缩时人体环节的运动速度基本一致，环节负荷随肌力变化而变化，我们称为等速测力。

●等张测力法；这是测试肌肉做等张收缩时肌力参数方法，。

●等速测力法:

这是通过等速测力系统给定的环节动作速度在负荷随肌肉力大小而匹配的情况下测定肌肉力矩的方法。

目前应用最广的事美国生产的CYBEX等动功能评定及训练系统。

这个系统可做18各上下肢动作训练，对多关节活动功能可做定量测试。

（二）动态测量的方法

●三维测力台测力

●应变测力台

第六章人体的转动力学

一．人体的转动

（一）人体转动的力学条件

∑M≠0

（二）人体转动的物理量

1.运动学物理量

2.动力学物理量

●转动惯量

计算式：

I=Mr2

人体转动惯量特点：

由于人体的质量分布不均，人体转动惯量会发生相应的变化，人体的质量、身体形态、身体姿势以及转轴的位置是影响转动惯量的主要因素。

●动力矩（是反映转动强弱的量）

计算式：

K=Iw

●冲量矩

计算式：

S=∑Mt

●力矩的功

计算式：

W=M.a（a为物体转过的角度）

●转动动能

计算式：

EK=1/2Iw2

二．有支撑状态时人体转动的力学依据

（一）转动定律

计算式：

∑M=I.b（b为该物体的角加速度）

（二）动量矩定理

计算式“：

∑M△t=I2w2-I1w1

既作用于一物体上的冲量矩等于动量矩的变化量

（三）动量矩守恒定律

当人体所受的合外力矩为零时，其总动量矩保持不变。

既：

当∑M=0时，则有I2w2=I1w1=常量

第七章人体运动的流体力学

一.流体力学的基本知识

（一）静止流体中的压强和浮力

P=

●液体内部任何方向都有压强，在同一深度，各个方向的压强都相等；

●液体内部某一深度的压强等于物体的密度

，重力加速度g和深度h的成绩

P=

gh

●浮力：

（阿基米德定律）浮体所受到的浮力在数值上等于它所排开的那部分液体的重量

●物体的沉浮：

重力和浮力的大小比值可确定物体的沉浮

还可以通过比重的大小来判断物体的沉浮

物体的比重=

身体的比重随呼吸变化：

深吸气时，胸腔体积扩大，比重减少，浮力增大。

呼气时，胸腔体积缩小，比重增大，浮力减少。

（二）理想流体.流线.流管

理想流体：

完全没有粘滞性、绝对不可压缩的流体

流线：

在任何时刻，可在流体上作出许多曲线，曲线上任一点的切线方向表示该处流体质点运动的轨迹，这种曲线叫做流线。

流管：

在流体中被一束流线所包围的管状区域叫做流管。

（三）伯努利定律：

流动速度大的地方压强小，流动速度小的地方压强大。

（四）马格努斯效应

球体在流体中转动时，沿着顺时针方向旋转同时向右运动时，球体受到一个向上的力。

二人体运动时所受流体的阻力

1.空气对人体运动的阻力

空气动力学原理：

式中F-空气的阻力；

-空气的密度；S-与气流相对的正面投影面积；

迎面阻力系数；

-运动员相对于气流的速度。

2.游泳时水对人体的阻力和动力

●摩擦阻力

●形状阻力

●兴波阻力和碎波阻力

三.运动器械飞行的空气动力效应

1.铁饼、标枪飞行的空气动力学特征

2.球体飞行的空气动力学特征

第八章动作技术的生物力学分析

一．跆拳道横踢动作的生物力学分析

（一）横踢动作下肢肌群工作特征分析

1.横踢动作的基本特点：

充分的利用自身髋、躯干的转动为动作基础，进攻肢体按髋、膝、裸三关节的运动顺序完成的打击动作。

后横踢的课分为4个阶段：

a预备阶段b提右膝状态

C转髋扣膝状态d踢击状态

如下图

（1）

（2）（3）（4）

2.参与下肢动作的主要肌肉群与特点

参与左（前）腿动作的主要肌群特点的分析

表1参与前腿（支撑腿）下肢动作的肌群分析

阶段

参与动作的主要肌肉群

肌肉收缩的形式

预备

两下肢相应的肌肉

静力性等长收缩

提膝

臀大肌、大收肌、股二头肌、半肌腱和半膜肌

向心收缩

转髋扣膝

臀大肌、臀中肌、臀小肌

向心收缩

踢击

臀肌、股四头肌、小腿三头肌

向心收缩

参与左（前）腿动作的主要肌群特点的分析

表2参与后腿（进攻腿）下肢动作的肌群分析

阶段

参与动作的主要肌肉群

肌肉收缩的形式

预备

-提膝

屈髋

髋腰肌、股直肌、缝匠肌、阔筋膜张肌

向心收缩

屈膝

半腱肌、半膜肌、股二头肌、

提膝-转髋扣膝

臀中肌、臀小肌、大收肌、股四头肌、股后肌

向心收缩

转髋扣膝-踢击

股四头肌小腿三头肌

离心收缩、向心收缩

3.下肢肌肉工作顺序原则

人体四肢右近端至远端关节，肌肉的生理横断面逐渐减小。

在运动生物力学中把关节处所配置的肌肉生理横断面大的称大关节，反之，称小关节。

这与人体活动时各关节所遇到的阻力矩由近端至远端依次减少的情况是一致的。

运动中当需要克服大阻力或需要表现出较高的动作速度时，肌肉的各关节虽然都同时用力，但其中大关节首先产生活动，并依据关节的大小表现出一定的顺序。

依据关节的大小表现出大关节首先发力，以克制环节或肢体的惰性，便于环节或肢体的启动；中关节次发力，便于环节或肢体进一步加速；小关节最后发力，便于控制环节或肢体的运动方向或幅度。

（二）横踢腿打击力量特征分析

跆拳道进攻时打击力量的大小、方向以及击打点，是评价动作效果好坏的较为重要的生物力学依据之一。

（三）横踢腿转动力学特征分析

肢体转动的力学原理

对横踢动作而言，所涉及到的最基本的生物力学原理则是：

骨杠杆原理转动定律以及动量矩定理等。

1.骨杠杠原理

从骨杠杠原理的分类可知，速度杠杠是人体中配备最多且在运动中应用最为广泛的一种。

根据此类杠杠的特点，结合跆拳道横踢动作的规律不难发现，进攻腿的摆动过程在某种意义上讲，就是充分应用速度杠杠的一个特例。

所谓速度杠杠就是指动力点位于阻力点和支点中间，其工作特点是使人体环节运动幅度大，移动速度快的一类骨杠杠。

2.转动定律：

略

3.动量矩定理：

略

4.加大进攻腿打击效果的方法

●提高进攻腿的打击速度

●增加肌肉对骨杠杆的动力矩

●减少肢体的转动惯量

●注意躯干的协调配合

●