《体育运动中的力学原理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《体育运动中的力学原理.docx（9页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、简析空中转体的原理相信大家在体育比赛中都看到过运动员腾空跃起的美妙动作。如体操，跳水，跳 高，蹦床等等。特别是在体操和跳水两个项目中，空中的动作更是令人眼花缭乱，美不胜 收。那么，我们在欣赏力与美完美结合的同时，有没有想过这空中动作的力学原理呢？ 而这却是让许多科学家为之迷惑了很久的一个问题。现在，就让我带您一同去看看那其 中的奥妙吧！为了方便描述人体在空中的姿态，我们先引入几个名词，如下图：当人体处于直立状态时，通过人体重心连接头脚的直线称为纵轴，通过重心垂直于人体 纵对称面的轴称为横轴，与这二轴垂直的称为矢状轴，三轴的正向如图所示。我们先来 看看跳水运动中的向前翻腾半转体的动作，如下图跳水
2、运动员在离开跳板时，利用身体略向前倾使跳板反力通过重心的后面来获得一个向 前翻腾的初始动量矩，它平行于横轴，因而人体似乎不能绕纵轴转体。但接下来运动员 屈体，并将上半身扭转90o再伸开两臂成图中的姿态，在这个过程小，由于下体对上体纵 轴的转动惯量大，故双腿的反方向转动很不明显。以后再利用伸开双臂的上体对纵轴的 转动惯量大来扭转下体，再收臂，最后到达图中的姿态准备入水，这时人体已完成了 180C的转体动作。这是一个比较简单的转体动作，下来 我们将定量的研究一下体操运动 员的空中转体空翻动作。体操运动员的空翻动作1972年日本运动员冢原光男在第20届奥运会上第一次完成了单杠后空翻体360C下的 精
3、采动作，荣获奥远会单杠冠军，开创了体操运动个翻腾动作的新阶段。（如图）体操或跳水运动中，身体绕横轴的转动称为空翻（如前空 翻，后空翻），身体绕纵轴的转动称为转体或旋转，也简 称旋（如左旋、右旋）。在冢原光男以前，单杠的下法就 只有空翻动作，没有转体。自从他完成了空翻加转体的动作后，各国远动员纷纷研究并实践，创造出 了许多“旋空翻”的动作。现在的高水平运动会上，形 形色色的旋空翻动作比比皆是。怎样才能实现旋空翻呢？最容易想到的方法是在腾空的初始时刻获得绕纵轴的 角速度，这格在腾空以后，由于动量矩守恒，身体就 有可能继续绕纵轴转动。至于绕纵轴的初始角速度， 则可通过腾空开始前身体受到绕纵轴的不对称
4、力而获 得。例如，在跳水运动中，起跳时一脚在前一脚在后；在单杠运动中，让两手在不同的时间脱杠。这种从腾 空 一开始就有的转体运动称为“早旋” o早旋的技术原理 简单但难于掌握，例如单杠运动中双手脱扛的时间差就很难控制；此外，由于腾空前受力的不对称，运 动员翻心的运是也难于保证在预段方有。横轴种实现， 但通过手臂的动作在空中发起旋转，这种族转又名“晚 旋”。仔细观察上图就会发现，运动员的旋转是。HL/LJ、彩，然而它的力学道理却不简单。腾空过程中，整个身体的动量矩守恒，且平行于横 轴。怎能产生绕纵轴转动的角速度呢？国内外的学者对此问题有不少探讨然而并不是都找到了正确的答案。有的资料上说；“后空翻
5、转体是身体腾空以后才做转体动 作，也就是说，它完全靠肌肉内力来造成身体绕垂直轴的旋转。完成转体有两个动作要 领：（1）用力转头。腾空以后向转体方向快速用力转头是产生身体沿垂直轴旋转的第 一个动力来源（因为）头的转动必然带动躯干的转动。 反向挥臂，形成力偶。在用力转头的基础上，用力挥臂以带动转肩，是加速 躯干沿垂直轴转动的第二个动力来源。 反向挥臂动作，挥臂的两个力方向相反，围 绕总重心的垂直轴形成了力偶，因此它能进一步加快身体转动的角速度。”这种解释就 值得怀疑，因为第身体的内力只能改变身体各部的相对运动，无法解释整体绕纵轴的转 动；第二，在动量矩守恒情况下，头、双臂的转动只能引起身体其他部分
6、的反向转动，而不会带动它们同方向转动。其实，只要正确运 用动量矩定理，旋空翻的力学机理也是不难弄清的。设运动员有绕横轴的初始角速度及 初始动量矩G = Jy o，在整个翻腾过程中，动量矩g守。为了空中发起旋转，运动员挥 动双臂图一 3所示。图一 3由于绕矢状轴的动量矩为零。这时运动员的纵轴将有一微小转角e，其方向与双臂动的 方向相反。于是动量矩G在纵轴上有投影Gz因而产生身体绕纵轴的旋转角速度 z o如果将图一 3所示的人体刚化，看成一个以Z为称轴的对称刚体, U I 丁 q/U/ 八、，=/ I U 八LI 、/U J I rzj 八IU/。|/ |，=二7。I U I P l-LL-。与Z
7、轴分解得 及s,则人狐的运动就可看成是人体纵轴绕G的转动（即空翻）及人体绕纵轴的单方向转动（即旋）的合成，两种转动的角速度大小分别为（4）p及 S此外，如忽略由领臂动作引起的转动惯量的变化，由图一 3还可定量解出：G =G sh9 =Jzz,G = J 严皿 ?sh0ZY 0P 0 SZPCO ,CO所以，s p （JY/Jz l）sh当运动员直体时，约有JY no 13kg In 2 , Jz =lkgL 2 ；当运动员直体领臂时，e = uO yQ fc约有。代入式得：sp2.5 o总结以上可得下面几条结论。（1）空翻中通过领臂动作可以实现“空中发起旋转顺空翻动作基本不受影响。 在前空翻情况下，领左臂可以产生左旋（马 0）,领右臂可以产生右旋在后空翻情况下，领左臂可以产生右旋（3 Z0）,领右臂可以产生左旋（OZ/0） O（3）旋转角速度可以大于空翻角速度。在直体情况下，空翻一周中可以旋转二周；在屈体情况下，由于领臂可使。角到达20所以空翻一周中，完全可以旋转三周以上，即实现空翻转体1080：由此可见，我们用动量矩守恒原理可以很清晰正确的解释这一物理现象。从 而体会到了将理论知识用于实践的重要性。010722仪12王夏伟2002.12
