牛頓帶你學運動生物力學研究目錄TOC\o"1-2"\h\u2872牛頓帶你學運動生物力學 018402一、奔跑的極限 124152二、游泳的阻力 11555三、旋轉的奧秘 126490四、精準的射擊 211186五、運動生物力學在體育運動訓練的應用 33895（一）靜力學方面 322479（二）運動學方面 322909（三）動力學方面 425409六、結語 430206參考文獻 4摘要：《我的牛頓教練》是一部講解體育運動中物理原理的科學紀錄片。全片嘗試以更輕松幽默的方式來呈現科學知識，提升觀眾的科學素養。本文以《我的牛頓教練》這一紀錄片為切入點，詳細闡述了牛頓的運動生物力學在體育各個領域中的應用狀況，并從靜力學、運動學和動力學三個方面論述了運動生物力學在體育運動訓練種的應用方式。關鍵詞：牛頓；田徑；射擊；運動生物力學《我的牛頓教練》是2018年制作在中央電視臺紀錄頻道播出的一部科學紀錄片。這是一部科普類的紀錄片，因為它里面展示的都是一些最直接的物理原理。更準確地說，它其實是一部講體育運動知識中物理原理的科學紀錄片。這部片子的風格與敘述方式讓人感覺不太像是中國傳統的科學紀錄片，這其實也是創作團隊所著意追求的，希望能夠用一種更輕松、更幽默、更能夠引發人興趣的方式把一個相對枯燥的物理知識展現出來。這部片子另外一個比較大的特點就是動畫的使用。片子每集大概都有一半的時間是以動畫方式來展示，我們也想了很多辦法來實現動畫的成本最低。此外，這部片子也試圖嘗試用另一種更輕松、幽默的方式把相對枯燥的物理知識表現出來。比如解說詞的風格，尋求利于人們接受的趣聞、軼事等等。例如被鏟翻的博爾特和“一顆賽艇”的場景就是典型的例子。通過這種方式來呈現物理學知識可以更容易被觀眾所理解。在這部紀錄片里，牛頓化身為了體育項目的教練，從物理學的知識角度來講解各種體育運動項目。騎車、跑步、游泳、足球、羽毛球、乒乓球、鉛球、擲鐵餅、滑冰、賽艇、冰壺、舉重、射擊等等體育項目，都和物理學掛上了溝。看了之后覺得牛頓教練是真的很忙，哪哪哪都有他。整個紀錄片涉及到了大概30個體育項目，有熟悉的，也有不是很熟悉的，下面我講舉例說明牛頓力學原理在運動生物力學中的廣泛運用。一、奔跑的極限“更快、更高、更強”，在經典的奧林匹克格言中，速度的名號占據首位，也是眾多運動員不懈追求的目標。相對步幅而言，步頻不容易提升，在這方面，高個子運動員尤為吃虧。他們難以像矮個子運動員靈活擺動雙腿，在步頻上取得突破，修長的身軀也讓他們接受更多的空氣阻力。但總有天才反其道而行，比如“偏科”的博爾特。身高1.96米的他把步頻壓縮到極致，依靠每步近乎2.5米的大步跑法，成為百米跑的世界第一。二、游泳的阻力相對于跑步時虛無縹緲的空氣阻力，我們在游泳時對水流的阻擋更具實感。擺在前方的，是阻力“三人幫”的攔截。首當其沖的是壓差阻力，人在水流中前進時，前方水壓高，身后水壓低，水流就有從高壓向低壓流動的趨勢，順帶拖拽我們前進的身軀，這就是壓差阻力。波浪阻力位居三人幫中的老二，是一旁泳道的選手”推波助瀾“時送給我們的阻礙。在水下潛行能極大減少波浪阻力的影響，這也是自由泳登頂最快泳姿的原因之一。和其它三種泳姿相比，自由泳從始至終貼近水下，沒有較大的出水動作，受到的波浪阻力小，游起來自然快。排行老三的摩擦阻力是人類重點攻克的對象，鯊魚泳衣也因此而生。仿制鯊魚皮膚的獨特結構使其在迎接水流時形成一層由無數細小漩渦組成的膜，從而減少摩擦阻力三、旋轉的奧秘人類對于弧線總有一種別樣的癡迷，而演繹這一動態美學的秘密就是旋轉。依靠足球旋轉時左右兩側空氣流動速度的差異，巴西球星羅伯特.卡洛斯打出歷史上最驚世駭俗的香蕉球之一，球體向右偏移7米后又回歸正軌，最終跌入球門。當足球逆時針旋轉時，左右兩側的空氣隨之流轉，并與迎面而來的空氣產生速度上的疊加與消減。根據伯努利定律，空氣流速的差異最終映射到壓強的差異上，促使足球產生一個橫向的力。正是這個力，矯正足球出軌的方向，造就了足球界中神奇的香蕉球。旋轉不僅能調和速度的暴力美學，還能成為速度的助推劑，比如鉛球、鐵餅與鏈球。通過自身旋轉，運動員能在限定半徑的圓中獲得更長的加速距離，從而拋擲更遠。由于笨重，鉛球與旋轉撮合的時間較晚。直到1976年，蘇聯的巴雷什尼克夫采用旋轉式推法，創造了當時的鉛球世界紀錄，旋轉才受到運動員青睞。鉛球技術也沿著旋轉的思路，從原地推，到側向推，最后發展成背對投擲。不同的旋轉方向，還能解鎖不同的運動姿勢，比如兵乓球。當上旋球與球拍迎頭相撞時，球拍就會賦予球體一個向上的反作用力，使球體直沖云霄。下旋球同理，只不過反作用力方向向下，接下旋球更容易直鉆網底。四、精準的射擊射箭是一項古老的技藝，在奧林匹克賽場上，中國射箭軍團一直是金牌的有力爭奪者。射箭可被分為舉弓、開弓、靠弦、持續用力、瞄準、撒放幾個階段；但從生物力學的角度出發，現有的階段劃分不便于射箭技術的研究。因為，對于時間維度而言，靠弦、持續用力和瞄準發生在同時刻。為方便研究，通常將靠弦、持續用力以及瞄準階段合并為固勢階段。在以上階段中，固勢階段的動作表現是決定射箭成績的重要影響因素。固勢階段起始于弓弦貼住下頜部位，止于箭離開弓弦。在固勢階段中，運動員處于靜態穩定狀態，為瞄準創造較好的生理環境。此過程中，拉弓側肩外展，肱骨升高并伴隨肩胛骨的運動，持弓側肩關節外展；肩胛骨任何一個方向的運動均有相互協同而又相互拮抗的肩關節肌肉共同完成；這些肌肉通過收縮的合力作用共同維持靜態動作的穩定性。在固勢階段中幾毫米的瞄準偏差可能會造成箭打在靶上有幾十厘米的偏移。前人研究發現身體姿態的不穩定會瞄準造成極大的干擾，進而對成績造成不良影響。運動員應當加強對單個階段進行針對性穩定訓練以提高運動員的技術水平。因此，射箭運動員固勢階段的動作技術特征對射箭成績具有重要意義。五、運動生物力學在體育運動訓練的應用（一）靜力學方面從力學角度看，人在靜止狀態下時受到的合力與合外力均是0。但是，從靜力學角度來講，人在準備起跑時產生的動作則是個體由原本靜止狀態轉向運動狀態的一個準備動作，可以讓人體快速變成運動狀態。由此可見，運用靜力學專業知識探究體育運動訓練，能夠讓體育教師充分掌握學生在運動時存在的身體平衡問題以及肌肉工作狀態等，進而做到對學生有目的性、有針對性、有專業性的訓練，改善學生的薄弱環節。譬如，在跳遠訓練時，體育教師可使用現代JVC高速攝像機以及三維測力臺把2名學生整個跳遠過程記錄下來，應用APAS系統對學生起跳瞬間產生的信息數據展開全面分析，能夠發現第一名學生在起跳時腿部膝關節彎曲角度是155°，另一名學生膝關節彎曲角度則是145°，由此明顯看出第一名學生起跳時腿部膝蓋彎曲角度要大于第二名學生，并且從跳遠實際距離而言，第一位學生同樣大于第二位學生。根據對二位學生跳遠身體擺動做動作的視頻回放來看，第二位學生身體擺動較僵硬，未能全面放開身體，并且因放腿時下壓較慢導致膝關節角度逐漸變小，由此反映出第二位學生跳遠時腿部力量不足與彈性較差的問題。基于此，體育教師應當加強對第二位學生腿部力量與彈跳性的重視，增強腿部收縮能力與身體彈跳性的鍛煉，進而提高學生的跳遠成績。（二）運動學方面運動學即是運用各種各樣的先進儀器、測量技術與科學合理的方法對體育運動員身體或者運動員在運動狀態下實際的身體狀況展開詳細記錄，根據分析獲得運動員運動狀態下開始的速度、單位時間內轉過的角度以及速度對比時間的變化率等各種運動學參數，為體育教師與教練員調整訓練模式及方法提供依例如，在對拳擊選手進行訓練時，可以運用現代高速攝像機以及力量測量儀器對拳擊選手的擺拳、橫踢與側踢等多個動作的身體角度、拳擊力量與角速度等多方面展開測量，根據對這部分數據的詳細分析得知，拳擊運動員上肢肩膀與肘等部位在擺動時得到的最大速度和拳擊選手踝關節最大速度之間具有一定聯系。通過對拳擊選手身體擺動整個過程的視頻回放得知，拳擊選手身體上肢的迅速擺動和身體向進攻方向的迅速扭轉可以協助拳擊運動員下肢運動的順利完成，且在這些動作中還可以提高速度，加強自身的攻擊速度和力量。與此同時，如果身體上臂迅速擺動的時間更早，拳擊選手就能夠在更短的時間內完成一系列動作，并且也能提高下肢運動速度。由此可見，在實際訓練進程中，應當重視增強對其身體上臂擺動的鍛煉，以此強化拳擊運動員的攻擊速度與攻擊力量。（三）動力學方面動力學指的是分析體育運動員運動狀態發生變化的具體原因，測量出各種不同力的大小、力的方向與變化情況，并進一步探究力的形成規律。通過對力學理論的了解，所有物體產生運動或者運動速度出現變化時，均是在力的作用下完成的。如鉛球及標槍等相關器材在空中飛行，是體育運動員將肢體各項力量作用在器械上的原因。體育運動員身體的靜止狀態到運動狀態，或運動速度出現變化均是力量作用產生的結果。例如體育運動員在跑步時，腿部力量向下蹬出，同時地面亦會產生一個向上的力，進而推動運動員身體不斷向前運動。如果對田徑技術動力學進行分析只單一測量力量的大小是遠遠不夠的，應測量或計算出用力的角度與方向以及隨時間不斷變化的情況分析運動技術存在的優點和缺點。六、結語在體育教學以及體育運動訓練過程中經常要運用運動生物力學的專業理論知識及其分析方法，如將其運用到運動技能要領講解中或對運動技術展開生物力學分析等。在現代科學技術的快速發展下，體育教師與教練員要充分掌握各種科學知識，應用科學正確的訓練方法讓學生更快速、更全面地掌握技術動作，更好地提升體育運動員的運動能力與技術水平。參考文獻[1]于雪梅,牛健壯,牛崢,等.足球技術動作的運動生物力學研究綜述[J].武術研究,2017,2(8):4.[2]孫麗娜,BingYu,沈培鑫.張國偉跳高技術的運動生物力學分析[J].山東體育學院學報,2017,33(5):6.[3]徐嬌嬌.運動生物力學在射擊項目中的應用分析[J].2020.[4]周靜芝.基于骨肌模型驅動的羽毛球勾對角上肢運動生物力學研究[J].廣州體育學院學報,2022,42(2):8.[5]蘇朕鑫,何文革,楊賢罡,等.足球鞋的核心結構及運動生物力學特征研究進展[J].醫用生物力學,2021(036-S01).[6]許正凱.網球運動中持拍手關節損傷防護及運動生物力學研究[J].醫用生物力學,2021,36(S01):1.[7]林增楷,周興龍.射箭項目運動生