运动生物力学课程教学大纲08版.docx
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运动生物力学课程教学大纲08版
《运动生物力学》课程教学大纲（08版）
一、说明
（一）课程定义：
运动生物力学是研究体育运动中人体（包括器械）机械运动规律及其应用的科学，本课程介绍其中与体育运动技术（包括体育健身运动）最密切相关的部分，课程名称为“运动生物力学”。
（二）编写依据：
本大纲按照学院对本科课程教学改革的要求，以课程内容改革为中心，关注社会对体育专业人才的基本需求和特殊需求、全民健身、青少年体质健康等问题，并结合运动生物力学课程特点、我院体育专业学生的实际情况而制定。
（三）目的任务：
大学本科体育类专业学习运动生物力学主要是用于运动技术（包括体育健身运动）的分析和评价；分析运动技术是以采集到的运动技术数据为基础；评价运动技术是以人体运动基本原理为依据、同时以优秀运动员相关数据为参照。
这些知识除了可以用于竞技运动以外，还可以用于全民键身锻练、青少年健康锻练的动作分析和指导。
本课程适用于运动训练专业、以及其它体育类专业等。
（四）课程编码：
20080726。
（五）学时数与学分：
本课程36学时，2学分。
二、教学内容与学时分配
教学安排
教学基本内容
讲授
讨论
实践
实验
小计
第一章运动生物力学导论
4
4
第二章运动技术数据
6
4
10
第三章运动生物力学基本原理
8
2
10
第四章运动技术分析（选学基础知识及部分实例）
10
2
12
合计
28
8
36
注：
八个实验教学内容根据学生实际情况选择其中4项，占8个学时，并鼓励有兴趣的学生利用业余时间到中心实验室完成其它实验内容。
三、教学内容与知识点
第一章运动生物力学导论
知识点：
运动生物力学在体育学科体系中的地位和作用；运动生物力学四个基本概念（运动生物力学，运动技术原理（又称动作技术原理），最佳运动技术，运动技术分析（又称运动技术诊断））；运动生物力学的三个热点问题（运动技术分析服务于竞技体育，竞技体育的需求带动了相关仪器设备和测量技术的发展，全民健身体育为运动技术分析提供了更大的活动空间）；运动生物力学的五项基本任务（研究人体形态结构、机能的力学特性，为运动员选材提供依据；揭示运动技术原理，为有意识的利用人体运动规律提供支持；进行运动技术诊断，为体育参加者制定最佳运动技术解决方案；对体育器械进行力学性能测试，为优化运动器械提供力学依据；对动作结构进行受力分析，为预防运动创伤和促进康复提供辅助方案）；运动技术分析基本工作步骤专论。
第二章运动技术数据
知识点：
运动学数据对运动技术分析的意义（关节位置、关节角度、位移、角位移、速度、角速度、加速度、角加速度）；动力学数据对运动技术分析的意义（动力曲线、冲量）；运动学数据的采集及应用（影像测量原理，影像数字化基础，影像测量方法，影像测量相关问题讨论，运动学数据的其它测量方法）；动力学数据的采集及应用（力传感器，测力台，平衡台，足底压力鞋垫，电阻应变片的应用，动力曲线分析举例，步态动力曲线，跳跃动力曲线，投掷铅球最后用力动作曲线）；
实验教学：
实验一：
在图片上测算人体总重心；实验二：
运动技术录像解析教学软件的使用；实验三：
三维测力台测力实验；实验四：
人体静态平衡稳定能力的测定；实验五：
应变片粘贴实验；
第三章运动生物力学基本原理
知识点：
人体运动的基本形式（人体的线运动，人体的角运动，复合运动）；匀变速直线运动；斜抛运动；体育动作分析常用运动曲线（“运动轨迹”曲线，“速度-时间”曲线，“加速度-时间”曲线）；动量定理（含动量守恒定理）；动量定理在体育运动中的应用（投掷类,打击类，蹬伸类，缓冲类）；动量矩定理（含动量矩守恒定理）；动量矩定理在体育运动中的应用（定轴转动动作特点，定点转动动作特点，腾空后转动动作的特点，翻转动作类，相向动作类，扭转动作类，局部肢体绕关节转动类）；稳定性原理及其应用；流体力学原理及其应用（流体力学基本知识，伯努利定律，马格努斯效应）；骨受力特征（受力形式，人体承受外力极限能力的比较，肌肉活动对骨受力形式的影响，体育运动对骨结构的影响）；肌肉力学特征（肌肉力学模型、肌肉力量训练、肌肉松驰现象）；杠杆原理（人体杠杆分类，人体关节杠杆类型举例）；复杠杆原理；关节运动顺序性原理；鞭打动作原理。
实验教学：
实验六：
一维平衡板测量人体重心；实验七：
纵跳实验（肌肉松驰现象或惯性力现象）。
第四章运动技术分析
知识点：
运动技术分析的概念（运动技术分析或运动技术诊断，运动技术分析的作用举例）；运动技术要素；运动技术要素的数据形式及其作用（动作姿势，动作幅度，动作变化率，用力方式，力的作用效果，动作协调性，肌电图数据）；选用运动技术要素的要点（依据运动技术任务和特征选择要素，突出主要运动技术要素，各运动技术要素的优化组合）；划分运动技术环节（关键技术环节，技术环节相互联系）；确定运动技术分析的对象、地点和测量方法；数据处理与数据分析；运动技术分析中主要问题讨论（运动技术模式问题，运动技术诊断问题，技术训练的针对性问题）；主要体育项目运动技术分析举例（跑的运动技术分析；跳的力学原理及主要技术环节分析（跳远，跳高）；投掷运动技术分析；举重运动技术分析；竞技体操运动技术分析（含9个常用技术动作分析）；游泳运动技术分析。
实验教学：
实验八：
动态力的应变测试方法。
四、考核
（一）考核形式：
采用笔试答卷（闭卷）考试与平时学习情况相结合。
（二）成绩计算
采用百分制评分。
平时成绩占20％，实验教学成绩占20%。
平时成绩以任课教师上课和作业完成记录为依据进行量化后评分，要求不缺勤，听课认真，按时完成作业；实验教学成绩以实验报告为评分依据。
考试成绩占60％，以学生考试卷面成绩为依据。
五、教材与参考教材
（一）教材
《运动生物力学（运动技术分析与评价）》，刘北湘编著，成都：
四川科学技术出版社2008年2月出版。
（二）参考教材
（1）电子教材《运动生物力学（运动技术分析与评价）教学资源》，刘北湘制作，教材的随书赠品。
（2）《运动生物力学研究方法与实验》石玉琴等编成都：
西南财经大学出版社1995年1版。
（3）《运动生物力学》体育院校函授教材，石玉琴等编 北京：
人民体育出版社1999年12月第1版。
（4）《运动生物力学》体育学院通用教材北京：
人民体育出版社1990年第1版
实验一在图片上测算人体总重心
【实验目的】
1．了解在影像上测算人体总重心的基本原理。
2．掌握测算人体总重心的方法。
【实验原理】
首先选定人体模型，即把人体看着是由14—16个刚体环节组成的多刚体系统。
本实验选取布拉温-菲舍尔的14个刚体的人体模型。
再根据选定的人体模型，确定人体的惯性参数值。
应用合力矩定理：
合力对某坐标轴之矩等于各个分力对同一坐标轴之矩的代数和，计算出人体总重心的位置。
即
式中：
Pi为各环节的相对重量，xi、yi为各环节重心的横坐标和纵坐标，X、Y为人体总重心的横坐标和纵坐标。
【实验器材】
1．人体图片一张
2．直尺一把
3．计算器一个
【实验步骤】
1．在图片上建立直角坐标系OXY。
2．在实验报告纸上画好如下表格，并根据所选定的布拉温-菲舍尔人体模型，分别将其各环节重心至近侧端的百分比和各环节相对重量等人体惯性参数值，填入表格中的“百分比”栏和“环节相对重量”栏。
环节
名称
环节长度
环节重心至近侧端长
环节重心坐标
环节相对重量（Pi）
Pixi
Piyi
百分比
实长
xi
yi
头
-
-
-
0.0706
躯干
0.44
0.4270
上臂
左
0.47
0.0336
右
0.47
0.0336
前臂
左
0.42
0.0228
右
0.42
0.0228
手
左
-
-
-
0.0084
右
-
-
-
0.0084
大腿
左
0.44
0.1158
右
0.44
0.1158
小腿
左
0.42
0.0527
右
0.42
0.0527
足
左
0.44
0.0179
右
0.44
0.0179
合计
1.0000
3．在图片上标出人体肩、肘、腕、髋、膝、踝关节中心点的位置；用线段连接相邻关节中心点成“人体棍图”（踝关节和脚尖用线段相连）。
4．在图片上测量人体各环节的长度（以毫米为单位），并将数据填入表格中的“环节长度”一栏。
5．用人体环节的长度值乘以百分比值，得到实长值，填入表格中的“实长”一栏。
6．以人体近侧端关节点为起点，在环节连线上用“实长”值量取该环节重心的所在位置，并作上标记。
7．确定头和手的重心位置，并作上标记。
侧面观时，头的重心在耳廓上缘中点；正面观时，头的重心在两眉中间。
手的重心在中指的掌指关节处。
8．测量各环节重心的横坐标值xi和纵坐标值yi，分别填入表格中的xi栏和yi栏中。
9．用各环节的横坐标值xi和纵坐标值yi分别乘以相应环节的相对重量，将其乘积值分别填入表格中的Pixi栏和Piyi栏中。
10．将表格中所有的Pixi值相加，所有的Piyi值相加，分别填入表格中的“合计”栏中，合计栏中的两个数据就是人体总重心的横坐标和纵坐标。
11．根据人体总重心的横坐标值和纵坐标值，在图片上标定出人体总重心的位置。
【注意事项】
1．注意人体各关节点的位置判断，尽量减小位置判断误差。
2．测量工具的精度要达到mm级。
实验二运动技术录像解析教学软件的使用
【实验目的】
1.掌握运动技术影像数字化的基本方法。
2.掌握获取运动技术的运动学数据的方法，并会计算人体重心的位移、速度和人体关节角度、人体关节角速度等运动学参数。
【实验原理】
使用运动技术录像解析教学软件，可以解析出静态图片和运动技术影像中人体总重心的位置、人体总重心的速度、人体的关节角度和人体关节角速度等运动学数据。
下面分别介绍其解析原理。
（1）、人体总重心的位置
与在图片上测算人体总重心的原理相同。
（2）、人体的关节角度
两个相邻环节间的夹角就是人体的关节角度，因此通过两个相邻环节的三个关节点的坐标（三个关节点构成任意三角形），应用余弦定理便可求出关节角度。
例如：
假设肩关节坐标为（x1,y1），肘关节坐标为（x2,y2），腕关节坐标为（x3,y3），则肘关节夹角为
式中
（3）、人体总重心的位移、速度
根据摄像机的拍摄频率f及实际拍摄某一动作的运动技术影像的帧数N，可以计算该动作所用的时间：
。
根据计算出的第1张图片和第N张图片的人体的总重心位置坐标（X,Y），可以计算人体总重心在该动作过程中的位移、速度。
人体总重心在该动作过程中的位移量为：
其中
为第N张图片的人体总重心坐标，
为第1张图片的人体总重心坐标。
从第一张图片到第N张图片间的平均速度为：
（4）人体关节角速度
根据计算出的第1张图片的某一个人体关节角度
和第N张图片的同一个人体关节角度
，可以求出从第一张图片到第N张图片间该关节处相邻两环节的相对平均角速度为：
【实验器材】
1.计算机一台（需安装了运动技术录像解析教学软件）
2.静态图片若干张
3.运动技术影像一套
【实验步骤】
一、静态图片解析
1.启动计算机。
2.双击桌面上的“LBXBIOMAC”软件图标，运行录像解析软件。
这时屏幕上出现如下界面。
3.单击“数据采集”按钮，在其下拉列表中选择“静态图片关节点”子菜单。
4.单击“数据表”按钮，建立存储数据的数据表文件。
注意数据表文件名必须是“?
?
?
?
?
?
_b.dbf”形式。
5.单击“打开图片”按钮，从图片库中选定要解析的人体静态图片。
6.单击“开始取点”按钮，按照屏幕提示用鼠标依次单击进行打点操作。
7.单击“计算重心”按钮，解析软件计算人体重心。
8.单击“重心位置”按钮，屏幕上显示出该静态图片的人体重心位置。
9.单击“存储数据”按钮，计算机保存该静态图片的人体各关节点和人体总重心的数据。
10.单击“浏览数据”按钮，屏幕上显示该静态图片的人体各关节点和人体总重心的数据。
11.单击“退出”按钮，返回最初的界面。
单击“数据处理”按钮，在其下拉列表中选择“计算关节角度”子菜单，按照屏幕提示进行相应的操作，即可求出人体静态图片的各关节角度。
二、运动技术录像解析
1.启动计算机。
2.双击“LBXBIOMAC”软件图标，运行录像解析软件。
这时屏幕上出现，运动技术录像解析教学软件界面及其相应菜单。
3.单击“数据采集”按钮，在其下拉列表中选择“技术录像关节点”子菜单。
4.单击“数据表”按钮，建立存储数据的数据表文件。
注意数据表文件名必须是“?
?
?
?
?
?
_b.dbf”形式。
5.单击“影像文件”按钮，打开比例尺图片，先用鼠标分别双击比例尺的起点和终点，再单击“比例倍数”按钮，运动技术图片的放大倍数就存储到了计算机。
6.打开运动技术图片，选定第一帧图片。
7.单击“开始取点”按钮，按照屏幕提示用鼠标依次单击进行打点操作。
8.单击“计算重心”按钮，解析软件计算人体重心。
9.单击“重心位置”按钮，屏幕上显示出第一帧图片的人体重心位置。
10.单击“存储数据”按钮，计算机保存第一帧图片的人体各关节点和人体总重心的数据。
11.单击“进一步”按钮，第二帧图片出现在屏幕上，重复操作步骤7－10，解析完第二帧图片。
再单击“进一步”按钮，重复进行上面的操作，直至解析完最后一帧图片。
12.单击“退出”按钮，返回最初的界面。
单击“数据处理”按钮，在其下拉列表中分别选择“计算关节角度”、“计算关节角速度”和“计算重心速度”等子菜单，按照其屏幕提示进行相应的操作，即可求出运动技术影像中人体关节角度、人体关节角速度和人体总重心的速度等运动学数据。
【注意事项】
注意人体各关节点的位置判断，尽量减小位置判断误差。
实验三三维测力台测力实验
【实验目的】
了解测力台的工作原理，知道人体运动的动力学测定的基本方法。
能认识测出的力--时间曲线。
【实验原理】
根据所采用的传感器的不同，三维测力台可分为以石英压电晶体为传感器和以电阻应变片为传感器两大类别。
本实验以石英压电晶体为传感器的测力台为例进行其工作原理说明。
图1以石英为传感器的三维测力台
（A）测力台面（B）石英压电晶体传感器
测力台为长方形，由踏板和底座两部分构成，二者之间由安装在四个角的圆柱形传感器支撑着，每个圆柱形传感器又由三片环状的石英压电晶体叠加在一起。
如图1所示。
这三片压电晶体由于其切割方向各不相同，分别对X、Y、Z这三个不同方向的力产生压电效应。
例如，最上方的那个环，当受到X方向的作用力fx时，就应为压电效应而在圆环的上下两个表面产生电荷，而对Y、Z方向的力则无此效应。
类似，中间的环和最下面的环只分别对Z、Y方向的力由压电效应。
由于电荷量合力的大小成正比，通过对电荷量的测定，就可以得到相应方向力的数值。
由于压力产生的电荷随时间的延长会发生电荷泄漏现象，所以压电式测力台严格地说是不可用于测静态力的。
由于压电信号产生的电荷是十分微弱的，因此，由三维测力台输出的信号必须经过一个电荷放大器才能输入计算机。
【实验器材】
1.三维测力台
2.计算机
3.信号放大器
【实验步骤】
1.了解熟悉本试验的硬件设施包括测力台、配套计算机、电荷放大器等。
2.检查各连接线是否接好，开启计算机，进入测力台的工作软件界面。
3.熟悉测力台工作软件的各项操作。
4.进行人体不同纵跳三维力的测量，并分析所测得的三维力——时间曲线的意义及其与具体动作的关系。
【注意事项】
需穿运动鞋进行不同动作的纵跳。
实验四一维平衡板测量人体重心
【实验目的】
掌握人体一维重心的测量原理与方法，巩固加深对人体平衡力学条件的掌握，验证人体重心随动作变化的移动规律。
【实验原理】
本实验主要根据静力学中的力矩平衡原理建立力矩平衡方程，进行求解确定重心的位置。
人体静躺在一维平衡板上时（如图2所示），人体和板着一系统处于平衡。
根据静力学中物体平衡的力学条件：
合外力、合外力矩均为零。
因此板、人的重力和支撑反作用力的和外力矩为零。
现已脚跟处B点为转轴列力矩平衡方程可得：
即：
上式中：
D为B点到人体重心的水平距离（重心的绝对高度）、L为板长（AB）、W为人体体重、R为体重计的示数、
为一维重心板的自重
图2一维平衡板测量人体重心示意图
【实验器材】
1.磅秤
2.一维重心板
3.体重计
4.身高计
【实验步骤】
1.利用身高、体重计分别测出受试者的身高和体重，并做好记录。
2.将平衡板水平置于磅秤和支点上，调节一维重心板两端的高度，使之保持水平（注意读取反映板自重的磅秤读数R0和平衡板两支点间的距离L,则板自重
=2R0）。
3.令受试者以标准解剖学姿势的仰卧于一维重心板上，双脚紧贴在B端的抵足板，两臂平放于体侧，保持安静。
4.测试者纪录磅秤的读数。
5.改变两臂、两腿的位置，记录相应的读数。
（1）双臂上举
（2）单腿上举
6.按公式计算所测量的几种情况下人体一维重心的位置，相互比较，并讨论说明重心位置变化的原因。
【注意事项】
1.裸脚或穿袜子进行测量，足底要与挡板紧密接触。
2.应穿轻质服装。
实验五纵跳实验
【实验目的】
通过对不同纵跳动作起跳高度的测量，分析明确不同动作对纵跳高度的影响，并根据实验的测试结果来分析验证肌肉力学中的有关理论和有关人体活动的力学原理。
【实验原理】
纵跳板工作原理：
通过对人体对纵跳板接触情况的测量，从而测出人体腾空时间，据h=
算出人体纵跳高度。
根据纵跳高度的不同，利用以下原理进行分析说明人体纵跳高度产生差异的原因。
肌肉力学原理：
下蹲时，人体的伸髋、膝关节肌群被动拉伸，储存了弹性势能，如立即进行蹬伸动作，则可充分利用此部分弹性势能，可以增强起跳动作效果。
反之，如有停顿，肌肉会产生松弛现象，会使下蹲过程中储存的弹性势能耗散，影响起跳高度。
人体运动原理：
人体局部肢体的加速摆动，可以增大地面对人体的反作用力，可以增加起跳高度。
【实验器材】
纵跳板
【实验步骤】
1.接通纵跳板电源，调试纵跳板使之进入正常工作状态。
2.让受试者在纵跳板上完成三种不同姿势的纵跳，分别记录纵跳板电子显示屏上显示的人体跳起高度数据。
（1）从站立开始不摆臂纵跳。
（2）从站立开始加摆臂自由纵跳。
（3）由站立开始加摆臂作下蹲后稍停片刻（2~3s），然后起跳。
3.分析讨论三种不同纵跳高度产生不同的原因。
【注意事项】
不同的纵跳方式均须用全力起跳。
实验六人体静态平衡稳定能力的测定
【实验目的】
1.验证影响人体稳定的因素——支撑面的大小等因素与稳定度的关系。
2.掌握操作平衡功能测定仪的方法
【实验原理】
平衡功能测定仪主要是用二维平衡台测人站在台上力的变化。
二维平衡台采用对角设置2个压力传感器，每个角均可测量二个方位的力即水平方向的力X和前后方向的力Y，二个角的二维力进行组合，可计算出总的二维力大小，方向及作用点（通常算为压力中心）。
再将二维力数据输入计算机显示器上显示出X、Y轴方向人体重力曲线幅值大小与时间对应的变化关系。
【实验器材】
平衡功能测定仪
【实验步骤】
1.把学生分为10人1组，再实验教师指导下进行。
2.把二维平台与计算机联接后，打开电源开关。
3.双击重心测量软件，显示器显示X、Y轴的二个图框
4.点击文件，打开个人档案，添加个人资料
5.点击设置
1）显示设置，在显示图形中选分别显示X、Y与时间关系
2）显示内容：
选运动轨迹颜色设置自定，运动轨迹的宽度设置自定，显示运动轨迹方框中打√。
3）显示运动目标：
目标显示形状设置自定，运动目标颜色设置自定，在目标方框中打√
4）坐标轴样式，选X、Y方向坐标，坐标轴线宽和颜色自定
5）选择完毕确定
6.测量时间设置，根据运动项目确定，确定完毕点OK
7.重量设置，用二维平台称体重或输入体重，完毕点OK
8.点击开始平衡的测量
受试者可用并腿站立和分腿站立测试平衡。
还可根据受试者参加的运动项目的不同，可设计不同姿势。
例如，检测射击运动员出发前5秒钟，人枪的稳定情况就可采用两脚开立的手持枪的射击姿势，在运动员开始瞄准时，就点击开始重心测量，5秒钟自动结束检测。
计算机保留5秒钟测试的数据和波形供分析用
9.点击打印，计算机将打印出X、Y轴向曲线图及数据。
【注意事项】
受试者尽量心平气和保持平衡。
实验七应变片粘贴实验
【实验目的】
1．了解电阻应变片的粘贴技术原理。
2．掌握电阻应变粘贴的方法。
【实验原理】
运动员使用体育器械时的作用力可通过贴在器械上的应变片电量变化反映出来，也就是通过电量变化来测非电量的力。
这种途径是通过应变片或者应变传感器来实现的，在体育运动中使用器械的情况下都是采用这种应变测力的方法。
这里用电阻应变片的测力为例。
是以用力大小和电阻变化率呈线性关系测得电阻的变化去获得用力的大小。
本实验用田径起跑器作为测试元件，电阻应变片用粘合剂牢固地粘贴在起跑器的支撑杆上、下表面各一片（见图1）。
当人体对起跑器蹬力，使其电阻应变片随同支撑杆器材变形，两枚电阻片上面R1感受的是拉应变，下面R2电阻片感受的是压应变。
若测出电阻丝的电阻改变所带来的电压或电流变化，即可测得器材受力部位的应力。
图1起跑器电阻应变片粘贴位置
实验粘贴应变片采用半桥测量法。
所谓半桥测量法，就是电桥四个桥臂中AB臂R1及BC臂R2为电阻应变片，其它两臂为电桥盒内固定电阻值，见图2。
既当R1→R1+ΔR1；R2→R2+ΔR2；ΔR3=ΔR4=0时，电桥的输出电压变化量与电阻变化率之间的关系为：
如果两臂的电阻的灵敏参数K植相等，则：
dVDB=AK（ε1-ε2）
图2半桥测量法连接示意图
由于电阻应变片是上、下各粘贴的一片，应变片粘贴的方向一样，因此，半桥接法的输出电压变化量与两臂感受的应变代数差成正比，两臂所感受的应变大小相等，但符号相反，这时ΔR2/R2=-ΔR1/R1或ε2=ε1，
则
上式表明，此方法提高了输出电压，桥臂系数为2倍。
【实验器材】
1.应变片。
2.田径起跑器。
3.电烙铁，烙铁架，焊锡膏，焊锡丝，锉刀，绝缘胶布，凡士林油，封口胶带，502胶，酒精棉球，细导线，一次性手套，剪刀，夹镊，万用表，放大镜，聚四氟乙烯薄膜，方盘。
【实验步骤】
1.将学生分为2人1组，在实验教师指导下参与实验。
2.应变片布置：
学生首先对测试件，应力分布规律加以了解，确定电阻应变片粘贴在起跑器的支撑杆上的什么位置。
3.清洗测试件：
在起跑器支撑杆粘贴应变片位置的上下面沿轴向用锉刀将漆面锉干净，再用砂布在轴向成45°方向交叉打磨，并用酒精清洗干净。
4.检查应变片：
检查应变片的基纸有无破损，引线有无断裂，用万用表测试电阻应变片的电阻为120欧姆。
5.涂胶：
将试件的测试点表面和应变片基底上均匀涂抹502号胶。
6.贴片：
将涂好胶的应变片的引线朝上，把电阻应变片粘贴到所确定的位置上，盖上一张聚四氟乙烯薄膜，
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