1、第四章人體平衡的生物力學人體平衡的生物力學重點：重點：人體整體平衡的生物力學條件和特點人體整體平衡的生物力學條件和特點難點：難點：人體平衡動作的力學原理人體平衡動作的力學原理 第一節人體平衡動作的力學原理n一、基本概念（一）力與力系n1力力是物體之間的相互作用，這種作用可以改變物體的運動狀態。人體運動中的力主要是人體與地面、器械、流體的相互作用。n2力的三要素力的三要素：大小、方向、作用點。力是矢量。FA力的單位：力的單位： 國際單位制-牛頓(N) ABAB3力系力系：是反映作用于物體上的一組力。在實際體育運動中，作用于人體的力是非孤立的力，而是力系。力力系系分分類類空間力系空間力系平面力系平

2、面力系平面匯交力系平面匯交力系平面力偶系平面力偶系平面平行力系平面平行力系平面任意力系平面任意力系平面特殊力系平面特殊力系空間任意力系空間任意力系空間特殊力系空間特殊力系平面匯交力系平面匯交力系平面力偶系平面力偶系平面平行力系平面平行力系說明：匯交力系：作用線的延長線相交于一點的力系。平行力系：作用線互相平行的力系。平衡力系：在力系作用下，物體的運動狀態不發生改變的力系。F1F2F3A A匯交力系F1F2A A平行力系B B力的合成、分解依據平行四邊形法則(三角形法則)YXF1F2RRF1F2RF1F2（二）約束、約束反力、主動力（二）約束、約束反力、主動力1約束約束 是指阻止物體自由移動的限

3、制。這里涉及到自由體和非自由體。在力的作用下可任意方向移動的物體叫自由體，如：騰空運動的運動員。反之叫非自由體。實際中遇到大都是非自由體，物體相互接觸或相互聯系而使該物體的移動受的限制，則稱物體受到約束。n2約束反力約束反力是指作用于物體的力，其大小等于物體加在約束上的力，方向與之相反。約束反力的方向總是同阻礙物體運動的方向相反。約束與約束反力約束與約束反力繩索,鏈條,皮帶等柔性體對物體的約束稱為柔體約束。因柔體只能承受拉力,不能承受壓力,即只能限制物體沿柔體伸長方向的運動,故柔體的約束反力沿柔體的中心線背離物體,表現為為拉力。 3體育運動中，常見的約束有三種：.無摩擦的理想約束。這種約束只阻

4、止物體沿接觸面的法向（豎直方向）移動，如站在水平地面上的運動員，其受的約束反力即地面給它的彈力。 N N.有摩擦的約束。這種約束不僅阻止物體沿垂直表面方向移動,而且阻止物體作水平方向的移動，如跑動中支撐腿的支撐反力。fN N.物體與接觸面無直接接觸，而是通過中間物體間接形成的約束。如吊環運動員通過懸索作用于房頂；滑冰運動員通過冰刀施力于冰面。4 主動力主動力n 是指與約束反力性質相反的力，它使物體運動或有運動的趨勢。 n 如：物體所受的重力，人或器械對物體所施的推力、拉力等。（三）n力可沿其作用線任意移動，而不改變其對物體的效應。A AB BF FF F1 1F F2 2（四）力的平移定理n

5、1力矩、力偶矩n 力矩：轉動效果。n 力偶：大小相等，方向相反。n 力偶矩：轉動趨勢。力矩n 定義：定義：力與力臂的乘積冠以正、負號定義為力F對O點的力矩。O 轉動的中心。稱為力矩中轉動的中心。稱為力矩中 心，簡稱心，簡稱矩心矩心d 轉動中心到力作用線之轉動中心到力作用線之間的距離稱為力臂間的距離稱為力臂(注意單位注意單位)表達式：表達式：Mo(F) = Fd正負號規定：若力使物體繞矩心作逆時針正負號規定：若力使物體繞矩心作逆時針轉向轉動力矩取正號轉向轉動力矩取正號,反之取負號。反之取負號。BOF2dF1F3F4問題：圖示力F對O點的力矩應取什么符號？力偶力偶 由大小相等、方向相反、不共線的兩

6、個力組成的力系稱為力偶。力偶對物體的效應：力偶對物體的效應：只產生轉動效應，而無移動效應。O Or rF F力偶矩力偶矩方向的規定：方向的規定：右手螺旋法則右手螺旋法則右手拇指指向外法線方向為右手拇指指向外法線方向為 正正(+),(+),反之為反之為 負負(-)(-)力偶矩：力偶矩： 力偶使受力偶作用的物體發生轉動的趨勢而產生的力矩稱為力偶矩。 F FA AO Od dF FA AO Od dFF lA AO OF= = = 把力把力F F 作用線向某點作用線向某點O O 平移時，須附加一個力偶，平移時，須附加一個力偶，此附加力偶的矩等于原此附加力偶的矩等于原力力F F 對點對點O O 的矩。

7、的矩。 證明：證明：2.2.力的平移定理：力的平移定理：FFF FmFdl0舉例：跑的受力分析重力彈力摩擦力阻力n阻力n重力n摩擦力n彈力跑的后蹬動作的身體受力圖人體受4個力的作用：nG：重力；N：彈力；f：摩擦力；F：空氣阻力。n根據力的平移定理，可將N、F以及摩擦力三個力平移到重心O，并加上相應力偶矩，如圖4-9所示，N和力偶矩Nx代替N的作用，F和Fh代替F的作用，f和fH代替f的作用。nFh+fH-Nx0時人體向后旋轉，Fh+fH-Nx=0時人體不旋轉，Fh+fH-Nx0時人體向前旋轉。n1具體步驟為：具體步驟為：確定研究對象；畫出受力圖。n2方法：方法：我們所研究的對象主要為人體，在

8、人體上畫出主動力（重力及外加的力）和約束反力（所有外界物體與人體的接觸作用。由于約束反力的方向不易判斷，通常用約束反力的三個分量來代替，把未知的約束反力分解到直角坐標系中。n3舉例舉例：燕式平衡，單杠直臂懸垂，體操中旗動作。燕式平衡受力分析燕式平衡受力分析G GN N二、力的合成與分解n(一)合力與分力已知分力求合力叫力的合成，已知合力求分力叫力的分解。n(二)力的合成方法1平行四邊形法則：同一點A作用的兩個力F1和F2，以其作鄰邊畫平行四邊形，則平行四邊形的對角線即代表這兩個力的合力。n2投影法：矢量在任意軸上的投影等于矢量各分量在同一軸上投影的代數和。n（三）力的分解n圖示力合成方法：平行

9、四邊形法則和投影法F1RF1F2ARFF1xF1yn將作用于物體上的力系用一個合力，另加相應的力矩來表示，這一過程稱為力系的簡化（了解）。n（一）共點力系的簡化與平衡n（二）共面力系的簡化與平衡n（三）空間力系的簡化與平衡COyxhBP134. 例題5RyRxP P P PAG G第二節第二節 人體整體平衡的生物人體整體平衡的生物 力學條件和特點力學條件和特點n一、人體平衡的力學條件n人體平衡的力學條件是人n體所受的合外力為零和合外力n矩為零。表達式為：nF=0，M=0n如：燕式平衡，單杠直臂懸垂。二、人體平衡的類型n（一）人體重心的概念（一）人體重心的概念n1研究人體重心的意義：n評定一個體

10、育動作的質量，分析n其技術特征和糾正錯誤動作等，都需n要從人體重心的變化規律去分析，無n論是動力性的動作還是靜力性的姿n勢，探索其運動規律時，都離不開人n體重心。n3 特點：特點：人體重心不象物體那樣恒定在人體重心不象物體那樣恒定在n 一個點上，不僅在一段時內，一個點上，不僅在一段時內，n 要受肌肉和脂肪的增長或消要受肌肉和脂肪的增長或消退退n 等因素的影響，即使在每一等因素的影響，即使在每一瞬瞬n 間，也要受呼吸，消化、血間，也要受呼吸，消化、血液液n 循環等因素的影響，特別是循環等因素的影響，特別是在在n 體育運動中，要受人體姿勢體育運動中，要受人體姿勢變變n 化的制約，隨姿勢的改變，化的

11、制約，隨姿勢的改變，有有n 時甚至移出體外。時甚至移出體外。n 例如；體操中的例如；體操中的“橋橋”，背躍式跳，背躍式跳高的高的n 過桿動作等。過桿動作等。 2概念：人體全部環節所受重力的合力的作用點， 就叫人體重心。（二）（二）人體平衡的分類n1根據支點相對重心位置分類：n上支撐平衡上支撐平衡：當人體處于平衡，且支撐點在人n體重心的上方。n如：體操中的各類懸垂動作。n下支撐平衡：下支撐平衡：當人體處于平衡，且支撐點在人n體重心的下方。下支撐平衡在體n育動作中最為常見n如：站立，自由體操和平衡木的平衡n動作以及田徑、武術等。n混合支撐平衡混合支撐平衡：是一種多支撐點的平衡狀態，n這時有的支撐點

12、在人體重心上方，n有的支撐點在人體重心下方。n如：肋木側身平衡。2根據平衡的穩度分類n穩定平衡n不穩定平衡n隨遇平衡n有限度的穩定平衡穩定平衡：n人體在外力作用下，偏離平衡位置后，當外力撤除時，人體自然恢復平衡位置，而不需要通過肌肉收縮恢復平衡。如果物體偏離平衡位置的結果是物體重心升高，則該平衡是穩定平衡，多數上支撐平衡屬穩定平衡。n如；單杠直臂懸垂（圖4-1）。 不穩定平衡：n人體在外力的作用下，偏離平衡位置后，當外力撤除時，人體不僅不能回到原來的平衡位置，而是更加偏離平衡位置。如果物體偏離平衡位置的結果是物體重心降低，則該平衡是穩定平衡，多數上支撐平衡屬不穩定平衡，僅在下支撐平衡動作中出現

13、。n如；單臂手倒立。 隨遇平衡：n人體在外力的作用下，偏離平衡位置后，當外力撤除時，人體既不回到原來的平衡位置，也不繼續偏離原位置，而是在新位置上保持平衡。在體育中很少見，但也有。n如：連續完成的兩個前滾翻。有限度的穩定平衡：n人體在外力作用下，一定限度內偏離平衡位置，當外力撤除時，人體回到平衡狀態，但如果偏離平衡位置超過某一限度時，人體失去平衡。n如：太極拳中的推手。三、人體平衡的穩定性（一）（一）概念概念：人體平衡的穩定性是人體處于有限穩定平衡狀態時，抵抗各種破壞平衡的作用而保持平衡的能力。（二）影響平衡穩定性的力學因素 1、支撐面、支撐面（二）影響平衡穩定性的力學因素2、重心高度重心高度

14、穩定角：重力作用線同重心與支撐面相應邊界的連線之間的夾角。穩定角越大，穩定性越好；穩定角越小，穩定性越差；穩定角為零，人體處于臨界狀態。如蹲距式起跑預備中運動員盡可能將重心抬高并前移，以減小前進方向的穩定角，以便快速破壞平衡。n3、體重、體重n穩度系數：穩定力矩（重力矩）與翻倒力矩（外力矩）之比，常用來表示體重在平衡時的作用。n穩度系數K=穩定力矩/翻倒力矩n該系數表明了物體依靠重力抵抗翻到作用的能力。n穩度系數：nK1，平衡不破壞；K=1，臨界狀態；K1，平衡被破壞。人體重力矩越大，穩定系數越大，破壞平衡所需的外界翻到力矩也越大，即人體平衡的穩定性越好。如:摔交、拳擊、柔道項目中按體重分級的

15、原因之一就在于此。1m0.5m1m0.5m1m1mG GG GG GF FF FF FA AB BA AB BA AB B四、人體平衡的生物學因素n（一）（一）人體不能絕對靜止人體不能絕對靜止。由于呼吸活動和血液循環必然造成人體總重心時刻變化。n（二）（二）人體有效支撐面小于支撐面人體有效支撐面小于支撐面，由于人體軟組織和力量不太大的肌肉無力平衡負荷，所以翻倒線永遠位于支撐面邊界之內，重力作用線未超過支撐面邊界時，人體就要提前傾倒。n（三）（三）人體姿勢的改變可調節平衡人體姿勢的改變可調節平衡，人體在有翻倒趨勢時往往會改變體姿，各環節會繞相鄰關節發生位移。當人體失去平衡時，通過改變體姿，則可能

16、會恢復平衡。n（四）（四）心理因素的影響心理因素的影響，由于視覺因素造成心理緊張，造成收縮肌群無法協調工作導致人體失去平衡。典型的受心理因素影響的項目是平衡木。第三節人體平衡動作人體平衡動作 的的 生物力學分析生物力學分析 在考慮整體平衡的基礎上，研究人體局部平衡有助于我們更深刻的了解肌肉參與工作的方式和程度，以便確定更科學合理的姿勢，以幾個基本平衡動作進行分析：一、燕式平衡一、燕式平衡燕式平衡動作常見于體操、冰上運動和武術等燕式平衡動作常見于體操、冰上運動和武術等項目中，它是以單腳支撐，身體處于水平狀態的平項目中，它是以單腳支撐，身體處于水平狀態的平衡動作。衡動作。 1 受力分析受力分析：

17、2 人體平衡條件人體平衡條件： 3 局部環節的肌肉作用局部環節的肌肉作用：主要收縮肌群三角肌、斜方肌、臀大肌的作用，就是平衡相應環節的重力矩。 4 穩定性能穩定性能：不穩定。二、吊環十字支撐 1 受力分析受力分析： 2 平衡條件：平衡條件： 3 局部環節的肌肉作用：局部環節的肌肉作用：肩關節內收肌群（胸大肌和背闊肌）的拉力矩與身體重力矩保持平衡。肩胛下肌、大圓肌、三角肌等都起了作用。 4 穩定性能：穩定性能：不穩定。三、直角支撐n1 受力分析：受力分析：n2 整體平衡條件：整體平衡條件：n3局部環節的肌肉作用：局部環節的肌肉作用：肩關節和肘關節周圍的肌肉起固定作用，完成此動作必須使腹肌將骨盆固

18、定在水平位，從而來發揮髂腰肌，股直肌，縫匠肌，股四頭肌的拉力矩和下肢重力矩的平衡。n 4 穩定性：穩定性：不穩定。四、力量訓練頸后負鈴動作 1受力分析：受力分析： 2 平衡條件平衡條件： 3局部肌肉作用局部肌肉作用：臀大肌、股四頭肌、小腿三頭肌等的力量和人體重力以及杠鈴重力相平衡，并且還要借助腰背力量、腹肌、豎脊肌固定控制能力。 4 穩定性分析穩定性分析：深蹲時，身體需前傾杠鈴的重力矩加大，完成動作必費力，反之，則省力。五、起跑動作 （一）站立式（一）站立式 （二）蹲距式（二）蹲距式1受力分析：受力分析：2局部肌肉工作：局部肌肉工作：髖、膝、踝都處于屈曲狀態，所有的伸肌群處于拉長狀態。3穩定性能：在蹲距式起跑中，根據采用起跑器的不同，身體平衡穩定性不同，普通式較穩定，拉長式最穩定，接近式最不穩定。n課后作業講解P151頁：4.蹲距式起跑后蹬時人體受力圖，解釋人體有時會向前摔倒的原因。f fN NG GH HM Mf f = f f* *H HM MN N