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1、Fundamentals of biomechanicsDuane V.Knudson2003,Introduction to Sports Biomechanics:Analysing Human Movement PatternsRoger Bartlett2007,Biomechanics in sport:performance enhancement and injury preventionVladimir M.Zatsiorsky,IOC Medical Commission,International Federation of Sports Medicine2000,Appl
2、ied anatomy and biomechanics in sportBy Timothy R.Ackland,Bruce Elliott,John Bloomfield2009,运动康复生物力学钱竟光，宋雅伟等编著人民体育出版社2008,运动生物力学张昌亨主编武汉体育学院出版社1996,一、力学基础理论,运动学特征：物体的运动在空间与时间等方面表现出的差异特征（运动轨迹、路程、角度、位移、动作的先后次序与持续时间等）以经典牛顿力学理论为基础研究时把人体及器械看作是质点、刚体或刚体系统处理,质点：具有一定质量忽略其大小、形状的几何点刚体：相互间距离始终保持不变的许多质点组成的连续体,一、力
3、学基础理论,位置矢量（空间矢量）,轨迹,路程与位移,一、力学基础理论,速率、速度、即时速度（瞬时速度）、加速度1.运动康复中常常关心实际通过的距离，而不关心位移2.加速度是重要的康复指标，如步态训练中脚的离地,平动转动复合运动,一、力学基础理论,力的概念,力是物体间的相互作用，力的作用离不开物体,力的三要素：大小、方向、作用点,一、力学基础理论,作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的必要与充分条件是：这两个力大小相等、方向相反、沿同一条直线。,可传性原理：作用于刚体上的力，可沿其作用线移到刚体上任意点而不改变该力对刚体的外效应,二力平衡,一、力学基础理论,三力平衡汇交定理,当刚体受三个力作用而平衡
4、时，若其中任何两力的作用线相交于一点，则其余一力的作用线亦必交于同一点，且三力的作用线在同一平面内。,说明不平行三力平衡的必要条件。即：三力平衡必汇交。三力汇交不一定平衡。,一、力学基础理论,力系的概念作用于一个物体上的一群力称为力系如果某个力系作用在物体上，而使物体处于平衡状态，则这个力系称为平衡力系如果作用于物体上的力系可以用另外一个力系代替，而它对物体作用的效应相同，则称这两个力系彼此等效。如果一个力和一个力系等效，则这个力称为这个力系的合力,一、力学基础理论,力系的简化1.力的平行四边形法则,2.多边形法则,3.力矩和力偶,力矩：从给定点到力作用线任意点的向径和力本身的矢积 M=LF（
5、公式）力偶：大小相等、方向相反、作用线不在同一直线上的一对力力偶性质：1.力偶无合力；2.只要保持力偶距不变，可相应改变力及力臂大小，其作用效应不变；3.力偶对物体的作用与矩心无关。,一、力学基础理论,力系的简化,一、力学基础理论,力系的分类,（根据力系中各力的作用线是否在同一平面）,（根据力系中各力线是否相交）,汇交力系,平行力系,一、力学基础理论,力系的平衡,平面任意力系的一般简化结果为一个主矢 FR和一个主矩M。当物体平衡时，主矢和主矩必须同时为零。,由主矢 FR=0，即：,得：,由主矩 M=0，得：,一、力学基础理论,作用与反作用定律,两物体间相互作用的作用力和反作用力总是同时存在，大
6、小相等，方向相反，沿同一直线，分别作用在这两个物体上。,一、力学基础理论,约束和约束反力,自由体可以在空间作任意运动的物体。非自由体由于受到周围物体的限制（或阻碍）而不能作任意运动的物体。约束事先对物体的运动所加的限制条件。约束反力约束作用于非自由体的力。（简称：约束力或反力）除约束力外，非自由体上所受到的所有促使物体运动或有运动趋的力，称为主动力（重力、肌力、电磁力）。约束力是由主动力引起的，故它是一种被动力。,二、人体或人体局部受力分析,人体或人体局部受力分析相关概念,解决力学问题时，首先要选定需要进行研究的物体，即确定研究对象；然后考查和分析它的受力情况，这个过程称为进行受力分析。1.分
7、离体把研究对象解除约束，从周围物体中分离出来，画出简图。2.受力分析图将分离体所受的主动力和约束反力以力矢表示在分离体上所得到的图形。,二、人体或人体局部受力分析,人体或人体局部受力分析步骤,确定研究对象，取分离体（抓住主要矛盾，分离次要矛盾）；先画主动力，明确研究对象所受周围的约束，进一步明确约束类型，什么约束画什么约束反力。必要时需用二力平衡共线、三力平衡汇交等条件确定某些反力的指向或作用线的方位。,注意：（1）受力分析图只画研究对象的简图和所受的全部力；（2）每画一力都要有依据，不多不漏；（3）不要画错力的方向，反力要和约束性质相符，物体间的相互约束力要符合作用与反作用公理。,跑的受力分
8、析,二、人体或人体局部受力分析,花样滑冰的受力分析,二、人体或人体局部受力分析,人体运动的内力与外力内力：人体内部各个部分互相作用的力（肌力、韧带张力、软骨应力、骨应力）外力：1.重力G=mg（重力=质量重力加速度）重力与运动康复之间的联系：骨折后功能位的保持,二、人体或人体局部受力分析,2.摩擦力（静摩擦力与滑动摩擦力）,摩擦力与康复：1.骨折后的不同骨针固定选择2.摩擦力相关的功能训练3.应用于康复器械中，如拐杖前的橡皮垫、矫形器纹路、,二、人体或人体局部受力分析,3.弹性力,虎克定律,二、人体或人体局部受力分析,4.器械的其他阻力,二、人体或人体局部受力分析,5.支撑反作用力,在静止状态
9、下地面或器械通过支撑点作用于人体对重力的反作用力,6.流体作用力,人体在流体中运动时所承受的流体阻力，能抵消大部分的重力,二、人体或人体局部受力分析,什么是人体平衡？（1.力系平衡；2.加速度为0）,静止,匀速直线运动,二、人体或人体局部受力分析,（一）人体平衡 人体保持某一姿态的稳定性或动态中的控制能力。,静止状态,匀速运动状态,二、人体或人体局部受力分析,人体平衡的生物学特点：人体不能处于绝对的静止状态人体内力在维持平衡中发挥重要作用生物体在平衡控制中有补偿动作人体具自我控制与调节的能力人体平衡受到心理因素的影响人体平衡过程中消耗大量的能量,二、人体或人体局部受力分析,三、人体的重心及人体
10、重心的测量方法,人体的重心：地球对人体各部分引力合力的作用点人体所受的重力，严格而言是个汇交力系；但可视作平行力系,三、人体的重心及人体重心的测量方法,三、人体的重心及人体重心的测量方法,当人体自然站立时，总重心的位置一般在身体正中面上第三骶椎上缘前方7cm处男子的重心高度约为身高的56%，女子约为身高的55%,三、人体的重心及人体重心的测量方法,人体重心的变化特点几何形状固定的物体，不管他怎样运动，其重心相对于自身的位置是不变的。人体重心的变化方向与其运动方向一致，距离与其环节质量和运动幅度一致。,三、人体的重心及人体重心的测量方法,人体重心测量方法,重心板（一维或二维）实测静态人体的重心位
11、置,d：B点到人体重心的水平距离L：板长W：人体体重R：板重R：秤的读数,三、人体的重心及人体重心的测量方法,人体重心测量方法,摄影和录像获得的人体图像中通过测量和计算获得,原理：力矩合成原理 公式中：X,Y分别为总重心的横、纵坐标 Pi为环节相对重量xi,yi为环节质心的横、纵坐标,以人体左下角边缘处O点为原点绘出直角坐标系（OXY）。确定各环节点位置。确定头和手的重心位置。头的重心在耳廓上缘中点正面观时在两眉间，手的重心在中指的掌指关节处。连接关节点构成人体棍图。开始测量各环节的相片长度(以毫米为单位)，填入环节长度一栏内。把各环节重心至近侧端距离占环节长度的比值填入半径系数一栏内。见表2
12、1中具体的布拉温菲舍尔环节相对重心位置数据。,三、人体的重心及人体重心的测量方法,人体重心测量方法,摄影和录像获得的人体图像中通过测量和计算获得,三、人体的重心及人体重心的测量方法,人体重心测量方法,摄影和录像获得的人体图像中通过测量和计算获得,环节长度乘以环节相对重心位置百分比，填入环节重心近侧端实长一栏内。按环节质心到近侧端实际长度一栏的数据，在照片上的环节上点出环节质心位置。头手的位置不必计算，可以直接点出。从照片上测量各环节质心的坐标。把人体模型中已知的环节相对重量数据添入表内（P）。计算出各环节对轴之矩Px,Py。求出Px,Py的和，即为人体总重心位置。在照片上点出总重心。,三、人体
13、的重心及人体重心的测量方法,人体重心测量方法,摄影和录像获得的人体图像中通过测量和计算获得,四、人体平衡的分类,上支撑平衡（悬垂平衡）下支撑平衡（倒立平衡）混合支撑平衡（肋木侧平衡）,1、根据人体重心与支撑点的位置关系,2、根据平衡的稳定性（稳度）-保持平衡的能力,稳定平衡（吊袋、悬垂）有限度的稳定平衡（人下支撑平衡）不稳定平衡（单臂倒立）随遇平衡（球的平衡）,（1）上支撑平衡：当人体处于平衡，且支点在人体重心的上方，这种平衡状态称为上支撑平衡。如体操中的各种悬垂动作。,四、人体平衡的分类,（2）下支撑平衡：当人体处于平衡，且支点在人体重心的下方，这种平衡状态称为下支撑平衡。例如，站立、平衡木
14、上的平衡动作。,（3）混合支撑平衡：是一种多支撑点的平衡状态，这时有的支撑点在人体重心上方，有的支撑点在人体重心的下方。例如，肋木侧身平衡。,四、人体平衡的分类,（1）稳定平衡：去除破坏平衡力的作用后可恢复平衡。其特点是当偏离平衡位置时，重心升高，产生的重力矩使物体向平衡位置运动。（2）不稳定平衡：去除破坏平衡力的作用后不可恢复平衡。其特点是偏离平衡位置时，重心降低，产生的重力矩使物体继续倾倒。仅在下支撑平衡动作出现。,根据平衡的稳定程度把人体平衡分为4种：,四、人体平衡的分类,（3）有限度的稳定平衡：去除破坏平衡力的作用后仅能在有限的范围内恢复平衡。其特点是在一定限度内的偏离平衡位置时，人体
15、重心升高，产生的重力矩使人体向平衡位置移动，最终恢复平衡。（4）随遇平衡：不管什么位置下都能平衡。其特点是偏离原来位置时，重心高度不变，不产生使物体位置移动的重力矩。,五、影响人体平衡的因素,从生理学角度：年龄、性别、神经控制能力、肌肉力量、身体状态（特殊疾患）、药物使用、运动疲劳等。,从力学角度：对人体而言，不稳定平衡和随遇平衡很少出现，稳定平衡仅出现在上肢悬垂中，所以大多数平衡情况出现在下支撑的有限平衡过程中。,是人体动态平衡指标，K是人体静态平衡指标。,支撑面大小,重心高低,稳定角（）重力线与重心到支撑面边缘连线的夹角。,稳定系数（K）稳定力矩与翻倒力矩的比值。,五、影响人体平衡的因素,五、影响人体平衡的因素,稳定角：重心垂直投影线和重心与支撑面边缘相应点连线的夹角，即物体在某一方向上的稳定程度的判定指标。平衡角：某方向上的稳定角之和。,稳定角,平衡角,五、影响人体平衡的因素,五、影响人体平衡的因素,短跑起跑稳定角的变化(快速打破平衡),F,h,G,r,稳定系数的计算,稳定系数（K）稳定力矩与翻倒力矩的比值。（分k1,k=1,k1讨论),五、影响人体平衡的因素,五、影响人体平衡的因素,质量的大小：质量越大，稳度越大；反之则小（摔跤）摩擦力的大小：摩擦力越大，稳度越大；反之则小（滑冰易摔倒、足球要穿钉鞋等）,
