运动力学基础.pptx

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运动力学基础,运动力学基础,第2页,目录,第一节 运动中力与力矩,第二节 人体运动动力学,第三节 人体运动静力学,第四节 人体运动转动力学,第五节 骨与关节生物力学,运动力学基础,第3页,重点与难点,重点：,力、力矩、稳定角、人体转动惯量概念；骨杠杆作用；关节类型及运动。常见外力和内力；力合成和分解；人体平衡条件；骨与关节生物力学特征。,难点：,牛顿运动定律、转动定律及其应用。,运动力学基础,第4页,人体和物体运动在运动形式上各种多样，千差万别。这种差异主要表现在时间和空间两个主要方面，其形成原因是人体或物体受到,力,和,力矩,不一样。,LOREM IPSUM DOLOR,运动力学基础,第5页,第一节,运动中力与力矩,运动力学基础,第6页,一、运动中力,力,是一个物体对另一个物体作用，是使物体产生形变或线运动状态改变原因。,力矩,则是力和力臂乘积，是使物体转动状态改变原因。,内力,外力,运动力学基础,第7页,LOREM IPSUM DOLOR,（,一）外力,重力 是地球对人体或物体引力，是一个非接触力。,摩擦力 是两相互接触物体做相对运动（线运动或滚动）或有相对运动趋势时产生力。,支撑反作用力 人体重力作用于支撑面上，支撑面又反作用于人体。,流体作用力 人体在空气和水中运动时，必定与流体发生接触并相互作用，流体对人体作用即为流体作用力。,器械阻力,运动力学基础,第8页,LOREM IPSUM DOLOR,（二）内力,1.,肌拉力 骨骼肌借助肌腱附着于骨，产生对骨拉力维持人体姿势，引发人体内各部分、各步骤相对运动，是人体内力中最主要主动力。,运动力学基础,第9页,LOREM IPSUM DOLOR,肌拉力线,喙肱肌,拉力线,位于肩关节冠状轴前方、,矢状轴内侧，,使肩关节内收和屈。,肱肌,位于肘关节中心,运动轴冠状轴前方，,能使肘关节屈。,运动力学基础,第10页,LOREM IPSUM,2.,组织弹力 当机体拉伸、压缩、扭转时会发生形变，弹力是机体形变做功能力。,希尔三元素模型,:,可收缩成份：相当于骨骼肌中肌纤维成份,;,串联弹性元：主要是位于骨骼肌两端肌腱；并联弹性元：包裹在整个骨骼肌表面和肌束、肌纤维表面结缔组织。,运动力学基础,第11页,3.,其它内力 人体内各组织器官含有不一样形态、结构和生物力学特征。人体因为各种运动过程引发这些组织器官发生形态、位置改变时，能够产生摩擦力、流体阻力等。,如血流阻力,运动力学基础,第12页,（三）力合成与分解,1.,协力与分力 一个力假如它产生效果与几个力共同作用效果相同，则这个力就叫那几个力协力，而那几个力就叫这个力分力。,力平行四边形定则,LOREM IPSUM DOLOR,运动力学基础,第13页,LOREM IPSUM DOLOR,2.,力合成 求几个已知力协力，叫力合成。,3.,力分解 力分解是力合成逆运算。,肌力分解及其作用,运动力学基础,第14页,LOREM IPSUM,（四）力时间与空间积累效应,1.,力时间累积效应,合外力与其作用时间乘积（,Ft,）称为力,冲量,。,质量与速度乘积（,m v,）称为,动量,。,动量定理：物体动量增量等于其所受冲量。,运动力学基础,第15页,LOREM IPSUM DOLOR,（,1,）人体运动中为了减小外界冲击力，通常需要延长外力作用时间。,如落地缓冲。,（,2,）为了给物体或人体强大冲力，要求与物体或人体接触（撞击）时间要短。,如用锤子钉钉子。,（,3,）增大作用力和延长力作用时间，能够使人体或器械取得更大速度。,如投掷垒球。,运动力学基础,第16页,2.,力空间累积效应 力与力作用方向上移动距离乘积（,FS,），是力空间累积效应，在力学上称力对物体做了功。,动能定理：力对物体做功等于物体机械能（动能和势能）增量。,LOREM IPSUM DOLOR,运动力学基础,第17页,LOREM IPSUM,二、运动中力矩,力矩（,M,）,是作用于物体或人体协力（,F,）与支点到力作用线距离（,d,）乘积，,即,M=F,。,分析：手握球做屈肘动作产生力矩,运动力学基础,第18页,第二,节,人体运动动力学,运动力学基础,第19页,LOREM IPSUM DOLOR,一、牛顿运动定律,（一）牛顿第一定律,任何物体在不受外力作用（或所受合外力为零）时将保持静止或匀速直线运动状态不变，又称,惯性定律,。,（二）牛顿第二定律,当物体所受到合外力不为零时，物体运动状态会发生改变。,（三）牛顿第三定律,即作用力与反作用力定律。,运动力学基础,第20页,LOREM IPSUM DOLOR,二、牛顿运动定律在人体运动中应用,（一）运动中合理利用惯性能够省力,（二）克服重物惯性需要遵照骨骼肌活动次序原理,（三）增加人体对外界作用力能够增大外界对人体反作用力,运动力学基础,第21页,第三节,人体运动静力学,运动力学基础,第22页,一、力系平衡条件与人体平衡类型,平衡,是物体速度和方向不变状态。,静态平衡,动态平衡。,LOREM IPSUM DOLOR,运动力学基础,第23页,（一）力系平衡条件,1.,共点、共线力系,2.,平面汇交力系,3.,平面平行力系,4.,空间普通力系,共点、共线力系平衡只要满足,协力为零,其它力系平衡条件均为,协力为零，协力矩,为零。,运动力学基础,第24页,（二）人体平衡类型,1.,平衡时重心与支撑点位置关系分类,2.,平衡时保持平衡能力分类,上支撑平衡,下支撑平衡,混合支撑平衡,稳定平衡,有限稳定平衡,不稳定平衡,随遇平衡,运动力学基础,第25页,LOREM IPSUM DOLOR,二、稳定性及其影响原因,（一）稳定性,稳定性,是指人体和物体抵抗各种干扰作用保持平衡能力。,一是人体静止时抵抗各种干扰能力，这种能力称为,静态稳定性。,二是指人体重心偏移平衡位置后，干扰原因除去时，人体仍能恢复到初始平衡范围，此为人体平衡,动态稳定性,。,运动力学基础,第26页,LOREM IPSUM DOLOR,（,二）影响人体下支撑稳定性原因与评价指标,1.,影响人体下支撑稳定性原因,（,1,）支撑面大小：支撑面大，稳定度大；支撑面小，稳定度小。,（,2,）重心高低：在支撑面不变情况下，人体重心位置越低，稳定度越大；重心位置越高，稳定度越小。,运动力学基础,第27页,比较重心高低和支撑面大小,运动力学基础,第28页,2.,人体下支撑稳定性评价指标,（,1,）,稳定角：,是指重力作用线和重心至支撑面边缘对应点连线间夹角。,重心高度相同，,支撑面越大，稳定角越大；,支撑面相同，,重心越高，,稳定角越小。,LOREM IPSUM DOLOR,运动力学基础,第29页,（,2,）,稳定系数：,稳定系数是指稳定力矩与倾倒力矩比值。,稳定系数大于,1,时，物体能抵抗外来翻倒力矩，平衡不被破坏；,稳定系数小于,1,时，物体抵抗不住外来翻倒力矩，平衡将遭到破坏，物体会翻倒。,犯罪高手,MV,中迈克尔杰克逊倾斜,45,运动力学基础,第30页,三、人体平衡与稳定特点,1.,人体不能绝对静止,2.,人体形状可变,3.,人体内力起主要作用,4.,心理原因影响,5.,感觉系统在保持人体平衡中作用,LOREM IPSUM DOLOR,运动力学基础,第31页,第四节,人体运动转动力学,运动力学基础,第32页,LOREM IPSUM DOLOR,人体各步骤运动都是骨骼肌牵引骨围绕着关节运动轴转动。,把人体看做刚体,运动力学基础,第33页,一、转动运动学,（一）人体转动转动轴,刚体转动时，刚体上各点都做圆周运动形成大小不等同心圆，各圆中心都位于同一条直线上，这条直线叫做,转动轴,。,运动力学基础,第34页,LOREM IPSUM,当人体围绕固定在地面上运动器械转动时，器械就是人体转动轴，称为,实体轴,。,当人体局部肢体或整体转动时所围绕是位于人体内部某特定直线，则为,非实体轴,。,有支点、有实体轴 转动,运动力学基础,第35页,支点无实体轴转动,无支点、无实体轴,运动力学基础,第36页,复合轴旋空,运动力学基础,第37页,（二）角运动学,1.,角位移 是描述物体转动时位置改变物理量。国际单位为弧度，通常可用,表示。,2.,角速度 连接运动点和圆心半径在单位时间内转过弧度叫做“角速度”。国际单位为弧度,/,秒，用字母,表示。,3.,角加速度 是描述刚体角速度大小和方向对时间改变率物理量，国际单位是“弧度,/,秒平方”，用字母,表示，计算公式为,=/t,。,运动力学基础,第38页,LOREM IPSUM DOLOR,二、转动动力学,产生转动条件必须满足,合外力矩不为零,。,（一）转动定律,1.,转动惯量,又称惯性距、惯性矩,(,俗称惯性力矩,),，是刚体绕轴转动时惯性量度，用以描述物体保持原有转动状态能力。,只决定于刚体形状、质量分布和转轴位置，而同刚体绕轴转动状态无关。,运动力学基础,第39页,郑秀媛中国人体惯性参数模型标准。,步骤转动惯量（,I,）等于步骤中质点质量（,m,）乘以质点到转轴垂直距离（,r,）平方。即,I=mr,2,，,单位为千克,米平方（,kgm,2,）。,LOREM IPSUM DOLOR,运动力学基础,第40页,人体转动惯量会随不一样位置转轴和身体姿势改变而发生对应改变。,比如跳水动作过程中人体伸展、两折、三折时转动惯量会伴随转动半径减小而依次减小。,LOREM IPSUM DOLOR,运动力学基础,第41页,2.,转动定律 当物体受到合外力矩（,M,）作用而发生转动时，则转动体转动惯量（,I,）乘以角加速度（,）乘积等于作用于转动体合外力矩，即,M=I,。,刚体转动角加速度与它所受,合外力矩,成正比，,与刚体,转动惯量,成反比,.,运动力学基础,第42页,LOREM IPSUM DOLOR,（二）动量矩定理,假定转动惯量为,I,刚体在外力矩,M,作用下，经过了时间,t,，转动角速度从,1,变成了,2,，则这个过程中角速度改变量为,2-1,，角加速度,=,（,2-1,）,/t,，代入转动定律公式中得到：,M=I=I,（,2-1,）,/t,，推导得出,Mt=I2-I1,。,此式中,Mt,是,冲量矩,，单位,Nms,；,I,是,动量矩,（,H,），单位,kgm,2,/s,。,作用在刚体上冲量矩等于动量矩改变。,运动力学基础,第43页,三、转动定律应用,1.,增大肌对关节拉力矩,经过增加肌收缩力和肌力臂，能增加角速度和角加速度。,粗壮大腿肌含有较大力量和力臂,能产生较大角速度和角加速度,运动力学基础,第44页,2.,减小转动惯量,由,M=I,能够看出，当肌力矩一定时，减小步骤对轴转动惯量，能够到达增大转动角速度或角加速度目标。,短跑时需折叠大、小腿，,以减小下肢对髋关节转动轴转动惯量，方便快速向前摆腿。,LOREM IPSUM DOLOR,运动力学基础,第45页,自由体操腾空,运动力学基础,第46页,第五节,骨与关节生物力学,运动力学基础,第47页,运动力学基础,第48页,LOREM IPSUM DOLOR,一、骨概述,（一）骨组成和分类,颅骨,29,块,躯干骨,51,块,四肢骨,126,块,运动力学基础,第49页,LOREM IPSUM DOLOR,2.,骨分类,按照形态特点可分为：,长骨、短骨、扁骨和不规则骨,运动力学基础,第50页,LOREM IPSUM DOLOR,（二）骨结构,骨器官水平结构 以长骨为例，骨结构包含,骨质、骨膜、骨髓,三部分。,运动力学基础,第51页,LOREM IPSUM DOLOR,2.,骨微细结构,长骨骨皮质主要结构单位,哈佛系统,又称为,骨单位,运动力学基础,第52页,LOREM IPSUM,3.,骨血管、淋巴管和神经,运动力学基础,第53页,4.,骨组织 由细胞和细胞间质组成,骨组织细胞,包含：,骨细胞,成骨细胞,骨原细胞,破骨细胞,骨基质,分为,有机质,无机质,LOREM IPSUM DOLOR,运动力学基础,第54页,（一）骨受载荷形式,二、骨生物力学特征,运动力学基础,第55页,（1）拉伸：拉伸载荷是自骨表面向外施加相等而反向载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变。例，单杠悬垂时上肢骨受力。,运动力学基础,第56页,（2）压缩：压缩载荷为加于骨表面向内而反向载荷，在骨内部产生压应力和压应变。例，举重举起后上肢和下肢骨受力。,上肢压缩力,运动力学基础,第57页,（3）弯曲：使骨沿其轴线发生弯曲载荷称为弯曲载荷。在弯曲负荷下，骨骼内不一样时产生拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）。在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐步减小，在应力为零交界处会出现一个不受力作用“中性轴“。例，负重弯举（杠铃）时前臂受力。,运动力学基础,第58页,小腿弯曲力,运动力学基础,第59页,（4）剪切：标准剪切载荷是一对大小相等，方向相反，作用线相距很近力作用，有使骨发生错动（剪切）趋势，在骨骼内部剪切面产生剪应力。例，人体运动小腿制动时，股骨髁在胫骨平台上滑动产生剪应力。,运动力学基础,第60页,（5）扭转：骨骼受到外力偶作用而受到载荷，在骨内部产生剪应力。,如作转身动作时，下肢骨受到扭转作用。,在生理状态下，扭转载荷常见于前臂、脊柱旋转与骨关节旋转活动中。,例，掷铁饼出手时支撑腿受力。,运动力学基础,第61页,骨力学包含两个最基本元素，即应力和应变,1.,骨应力,概念：当外力作用于骨时，骨以形变产生内部阻抗以抗衡外力，即是骨产生应力。,特点：应力大小作用于骨截面上外力与骨横断面面积之比，,单位为,Pa=N/m,2,，,即牛顿/平方米。,（二）骨应力与应变,运动力学基础,第62页,2.,应变,概念,：骨应变是指骨在外力作用下局部变形。,其大小等于骨受力后长度改变量与原长度之比，即形变量与原尺度之比。普通以百分比来表示,(,下列图,),。,运动力学基础,第63页,3.,应力,-,应变曲线,表示应力和应变之间关系。,应力,-,应变曲线分成两个区：,弹性变形区,和,塑性变形区,。,在弹性变形区内载荷不会造成永久性形变（如骨折）。,弹性区末端点或塑性区初始点称,屈服点,。,该点对应应力是产生骨最大应力弹性形变，亦称为,弹性极限,。,塑性区：屈服点以后区。,此时已出现结构损坏和永久变形。,当载荷超出弹性极限后，骨发生断裂即骨折。,运动力学基础,第64页,运动力学基础,第65页,运动力学基础,第66页,造成骨折所需应力叫骨最大应力或极限强度。,在应力,-,应变曲线弹性区斜率叫弹性模量或杨氏模量,(Youngs Modules),，表示材料抗形变能力。,普通而言，弹性模量是一个常数。,弹性模量越大，产生一定应变所需应力越大。,运动力学基础,第67页,青少年期,骨折愈合期,（三）机械应力对骨生长影响,沃尔夫（,Wolff,）定律,：物理功效改变引发骨吸收和形成，所以改变了骨内部结构和外部几何形状。,塑形,与,重建,是骨组织中对机械应力作用响应两个主要生理过程。,骨组织更新,运动力学基础,第68页,长跑运动员拇外翻,LOREM IPSUM DOLOR,运动力学基础,第69页,（四）骨疲劳,疲劳性骨折,概念,：指骨长久承受重复负荷,(,如长时间行军、锻炼,),后发生微损伤而逐步形成骨折。它是因为损伤不停积聚，超出机体修复能力，继而产生疲劳性骨折或应力性骨折。,特点,：骨折和修复同时进行。,运动力学基础,第70页,（,1,）疲劳性骨折好发部位,最常发生在下肢骨，,其次是上肢骨和躯干骨。,下肢骨骨折可发生在股骨、髌骨、腓骨、,胫骨、内踝、距骨、跖骨、跟骨等处，其中，以胫骨、腓骨和跖骨更多见。,运动力学基础,第71页,（,2,）疲劳性骨折生物力学原理,相关疲劳性骨折发生原因，,当前不一样学者持有不一样观点。,概括起来有以下几个观点：,其一，肌疲劳是造成疲劳性骨折发生一个主要原因。,其二，肌牵拉是造成疲劳性骨折另一原因。,其三，骨钙质降低。,其它，维生素、酸中毒以及生物电现象等均可能与疲劳性骨折相关。,运动力学基础,第72页,（五）影响骨力学性能其它原因,1,骨大小和形状,2,骨折愈合,3,手术原因,4,衰老与骨质疏松,运动力学基础,第73页,阻力点在支点和动力点之间杠杆为,省力杠杆,。,支点在阻力点与动力点之间杠杆为,平衡杠杆,。,动力点在支点与阻力点之间杠杆为,速度杠杆,，属于费劲杠杆。,（六）骨杠杆作用,运动力学基础,第74页,三、关节生物力学,（一）骨连结,1.,直接连结,2.,间接连结 又称关节,3.,关节类型,运动力学基础,第75页,LOREM IPSUM DOLOR,（二）关节生物力学,1,关节稳定性,（,1,）关节面形状,（,2,）韧带强弱,（,3,）骨骼肌力量,（,4,）关节负压,2,关节力和力矩,3.,关节软骨生物力学特征,运动力学基础,第76页,小结,机体在外力和内力共同作用下，产生能使关节转动和,整体运动力矩，从而完成各种动作。不论是完成各种动作,还是维持一定身体姿势，必须保持平衡，为了增加身体,稳定性，通常采取增加稳定面和降低身体重心方式。,转动运动是人体特殊运动形式。当物体受到合外力矩,作用而发生转动时，则转动体转动惯量乘以角加速度,乘积等于作用于转动体合外力矩。外力矩越大，作用时间,越长，刚体转动状态改变越大。,骨结构特点决定了它生物力学特征。骨还含有杠杆作,用，人体存在省力杠杆、平衡杠杆和速度杠杆三种类型。关,节是骨与骨之间间接连结，包含基本结构和辅助结构。关,节面形状决定了关节运动轴，也决定了关节稳定性和,灵活性。,运动力学基础,第77页,Thank You!,运动力学基础,第78页,