运动生物力学:最全的定义

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运动生物力学的定义:运动生物力学是探讨人体运动力学规律的科学
静载荷 静载荷是逐渐加于物体上的其特点是这种载荷作用下,物体各部分不产生加速度或产生可以忽略的很小的加速度。
动载荷 动载荷所引起的加速度显著。动载荷又分冲击载荷和交变载荷。
载荷的表现形式:载荷可分为:拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷。
应变   量度物体形变程度的量,分为线应变和剪应变。
应力的概念
物体在受到外力作用而变形时,其内部各质点间的相互作用力发生变化。这种由于外力作用而引起的固体内各质点之间相互作用力的改变量,简称为内力。单位面积上的内力称为平均应力,当面积趋近于0时平均应力的极限称为应力。
强度   结构破坏前所能承受的变形;结构破坏前所能承受的载荷;结构在破坏前所能贮存的能量;
刚度   弹性范围内曲线的斜率表示结构的刚度
粘弹性材料的三个特点:
     若应变保持一定,则应力随着时间的增加而下降,称为应力松弛
     若应力保持一定,应变随着时间的增加而增大,称为蠕变
     对物体作周期性加载和卸载,加载和卸载时的应力-应变曲线不重合,称为滞后
肌肉活动对骨应力的影响
肌肉收缩在骨上产生压应力,能部分或全部抵消作用在骨上的张应力,而骨承受  压应力的能力大于承受张应力的能力,故在一定情况下可以使骨免受损伤。    
骨疲劳的机制
 肌腱韧带的组成及其力学性能   
肌腱和韧带都由致密结缔组织构成,主要含胶原纤维和弹性纤维。   
 胶原纤维和弹性纤维具有不同的力学性质,胶原纤维承受载荷时变形小,抗拉力     强;弹性纤维承受载荷时弹性好,伸展性好(变形较大)肌腱和韧带的力学性能取决于其组成中两类纤维的比例。
①肌腱、韧带的力学性能与其功能相适应,而力学性能又取决于其组成成分。肌腱是骨骼肌与骨的连接部位,起着传递力的作用,需要有较小的变形及较强的抗张力的能力。与此相适应肌腱主要由胶原纤维组成。
②绝大部分韧带作用是加固关节,也需要变形小,抗张力强,因而也是主要由胶原纤维组      成。
③有些韧带,如项韧带和黄韧带分布于脊柱,脊柱需要有较大的灵活性,这就要求这种                 韧带弹性好,伸展性好,所以该种韧带主要成分是弹性纤维。
三元素模型,由三部分组成:
     串联弹性元
     并联弹性元
     收缩元
希尔方程描述了肌肉收缩力与收缩速度的关系
    V增加,P减小
    负荷(P为零时收缩速度(V达到最大
    负荷(P达到最大时,收缩速度(V为零。
    P增加,V减小
希尔方程在体育训练中的指导作用
体育领域中的应用是十分广泛的,揭示了人体运动时肌肉克服负荷和发挥收缩速度之间的内在联系,为体育训练实践提供了理论
生物运动偶 两个相邻骨环节之间的可动连接叫做生物运动偶。
生物运动链 生物运动偶的串联式连接叫做生物运动链。
运动的自由度:一个物体在空间运动,描述物体运动状态的独立变量的个数,叫做这个物体运动的自由度。
约束:运动受到限制,称为约束。每增加一个约束就减少一个自由度。
生物运动链的运动能力
    取决于生物运动偶,生物运动偶的运动能力又取决于关节的构造和肌肉的控制作用。
节律  动作中各个动作成分所占的时间比例。
动作系统概念
大量单一动作按照一定的规律组成为成套的技术动作,这些成套的技术动作叫做动作系统。
动作结构概念
每个完整的特定动作,都有固有的特点,各个动作成分之间都有着固定的联系,这是一个动作区别于另一个动作的特征,动作的这种固有特点和固定内在联系叫做动作结构。动作结构包括运动学特征和动力学特征。
运动学特征
    运动学特征即动作形式和动作外貌,包括空间特征、时间特征和时空特征。
    空间特征是指位置坐标,运动轨迹,关节角度等。
    运动轨迹:动点随着时间在空间连续占有的几何位置。
    时间特征是指运动开始时刻,结束时刻,运动持续的时间,动作的频率和节律。
时空特征及其参数
    时空特征指人体的位置和运动状态如何随着时间而变化。
    速度,加速度,角速度,角加速度等参数定量的反映了时空特征。
动力学特征
运动学特征是由动力学特征决定的运动学特征只是结果,而原因是动力学特征,即各种力的作用产生了不同的运动学特征。
    动力学特征包括:惯性特征、力的特征和能量特征。
    惯性特征指质量和转动惯量
    力的特征指力和力矩,冲量和冲量矩
    能量特征指功、能和功率
    动作系统中的动作之间具有复杂的关系:
    一方面,动作之间具有相互促进,相互帮助的作用,使整个动作系统更加协调完善;
    另一方面,动作之间的相互干扰也是不可避免的
动作系统的分类及特点
    体育运动中动作系统大体可以分为四类:
    周期性动作系统
  例如,短跑,长跑,速度滑冰,游泳等。
    非周期性动作结合动作系统
  例如,投掷铅球,投掷铁饼等。
    混合性动作系统
  例如,投掷标枪,急行跳远等。
    不固定动作系统
  例如,各种球类运动。
第三章 人体惯性参数
    转动惯量概念:刚体转动时相对于所确定转动轴的转动质量。转动惯量是物体转动惯性的量度。
    回转半径:物体绕某一转轴转动时,相当于其全部转动质量集中于空间的某一点,该点到转轴的距离称为回转半径。
        环节相对质量:人体各环节的质量叫做各环节的绝对质量,各环节绝对质量与人体质量之比叫作各环节的相对质量。建立模型时作了这样的假定:不同个体环节的相对质量都是相同的这样,环节相对质量就可以作为常数来使用。
    环节质心半径系数:由环节近侧端关节点到环节质心的距离比上环节的总长度的比值叫做环节质心半径系数。这个参数看作是常数,即不同个体环节质心半径系数是相同的
    人体质心位置特点
    保持站立姿势的人体,其质心位置大约位于第二骶椎所在水平面上,偏向右侧。人体质心与性别有关:女子质心相对高度比男子低0.5%-2%与年龄有关:婴儿质心比成年人高;与所处姿势有关:立姿与卧姿不同;对运动员来说与从事的运动项目有关:上肢发达则质心相对偏高,下肢发达则偏低;人体质心随着姿势的不同而发生变化,因为它取决于人体质量分布状况。人体质心是变化的这是人体质心的显著特点。
    一、人体转动惯量的特点:人体转动惯量的特点是其可变性。转动惯量的影响因素有三个:质量,质量对转轴的分布和转轴的位置。对不同的人体,质量不同,转动惯量也不同,质量越大,转动惯量也越大;对同一人体,质量分布不同,转动惯量也不同,例如,某运动员在站立姿势绕身体纵轴转动时转动惯量为1同样是站立姿势,两臂侧平举绕纵轴转动转动惯量变为2虽然质量不变,转轴不变,但是两臂侧平举时比两臂自然下垂放在两侧时转动惯量大一倍,这是因为两种姿势质量对转轴分布不同,两臂自然下垂放在两侧时质量集中于转轴,转动惯量小;同一个运动员,如果做团身空翻,其转动惯量为4这是因为转轴位置不同,转体时绕人体纵轴,而团身空翻是绕人体横轴,也就是对不同的转轴,有不同的转动惯量。
第四章人体平衡的生物力学
n 约束是指对物体运动的限制。例如运动员站在地面上地面就对运动员构成了约束(不能向下运动)单杠上悬垂,单杠就成为约束(不能脱离单杠)
n  约束反力是由于约束而引起的对物体的反作用力。上述地面对人体的作用力即为约束反力。
主动力是使物体运动或有运动趋势的力。作用与约束反力相反。例如重力,人对单杠的拉力等。
  力矩是矢量,其大小为M=F.r.sinθ,方向根据右手螺旋法则确定。对于只产生在一个平面转动(或转动趋势)力矩,规定产生反时针方向转动(或转动趋势)力矩为正,反之为负。
    力偶 一对大小相等,方向相反的平行力称为力偶。
力偶矩 力偶产生的力矩称为力偶矩,其大小  为M=Fd F为力偶中的一个力,d为两个力之间的距离。
    人体重心的特点:一般物体的重心位置是恒定的,例如铅球,铁饼,足球等,其重心在物体的几何中心上,恒定不变。而人体的重心位置是变化的这种变化不仅在一段时间内,要受肌肉和脂肪的增长和消退等因素的影响,即使在每一瞬间,也要受到呼吸,消化,血液循环等因素的影响,特别是运动中,要受姿势变化的制约,随着姿势的改变而发生改变,甚至会移出体外。
二)人体平衡的分类
    分类方法有两种:
    1.根据支点与重心位置关系分类,可以分为3种:
    1上支撑平衡,支点在重心上方的平衡,例如各种悬垂动作中人体的平衡。
    2下支撑平衡,支点在重心下方的平衡,例如,手倒立,站立等动作中人体的平衡。
    3混合支撑平衡,一种多支点的平衡,既有在重心上方的支点,也有在重心下方的支点,例如,肋木侧身平衡。
2.根据平衡的稳度分类,分为4种:
    1稳定平衡 偏离平衡位置后,重心升高,产生的重力矩使物体向平衡位置移动而恢复平衡。例如各种悬垂动作。
    2不稳定平衡 偏离平衡位置后,重心降低,产生的重力矩使物体继续倾倒。例如手倒立动作和站立动作。
    3有限稳定平衡 一定限度内,偏离平衡位置后重心升高,产生的重力矩使物体向平衡位置移动而恢复平衡,超过某一限度时,重心降低,产生的重力矩使物体继续倾倒,失去平衡。例如人体在某种站立姿势下。
支撑面:由各支撑点围成的面积。支撑面越大,平衡的稳定性就越好。
    稳定角是重力作用线同重心与支撑面相应边界的连线之间的夹角。稳定角越大,稳定性越好。支撑不变时,重心越低,稳定角越大,稳定性越好。
     根据稳度系数判断平衡的稳定性:
     K>1保持平衡,K=1临界状态,K<1平衡破坏
    人体平衡的生物学因素:一)人体不能绝对静止(二)人体有效支撑面小于支撑面(三)人体姿势改变可调节平衡(四)人体平衡受心理因素影响
参照系: 所选定的作为参考标准的物体或物体群。
 惯性参照系:以地球或相对于地球静止或作匀速直线运动的物体作为参照系为惯性参照系。
非惯性参照系:以相对于惯性参照系作变速运动的物体作为参照系称为非惯性参照系。
平动 :物体内任意两点的连线,运动过程中始终保持平行,物体上任何一点瞬时运动都具
有相同的速度和加速度,这种运动称为平动
转动: 运动过程中,物体上各点都绕着同一轴线作圆周运动,这样的运动称为转动。
复合运动:既有平动,又有转动的运动称为复合运动。
运动学量的特征
  瞬时性 指不同的瞬间有不同的运动学量、特定瞬时的运动学量具有特殊意义。
  矢量性 要取得好的效果,不仅要求运动学量的大小,也要求运动学量的方向。
  相对性 运动学量是相对于一定的参照系,明确了参照系,运动学量才有确切的意义。
  独立性 物体在空间运动,各个方向上的运动学量各自独立,彼此不相干扰。
曲线运动中的加速度:曲线运动中,加速度可以分解为法向加速度和切向加速度。法向加速度反映了速度方向的改变的程度;切向加速度反映了速度大小的改变程度。
运动的独立性原理 物体同时参与几个运动,则每一个运动不受其它运动的影响。或运动是由几个各自独立的运动叠加而成。又称运动的叠加原理。
分析抛体运动的思路
        运动的叠加原理 物体的运动可以看作几个方向上的运动的叠加,而各个方向上的运动是各自独立,互不干扰的
        因此,可以将抛体运动分解为水平方向运动和垂直方向运动,分别分析。
抛体运动飞行距离影响因素
        出手速度对飞行距离的影响
        出手角度的影响
        出手高度的影响
内力 系统内各部分之间的相互作用力称为内力。若将人体作为一个系统,则人体各部分之间的相互作用力为内力。例如,肌肉力,韧带张力,组织粘滞力等都是人体内力。
外力 外界对系统的作用力称为外力。
相互性
运动性支撑反作用力及其变化作用
动力性支撑反作用力 物体处于支撑状态,且物体的质心相对于支点有加速运动时,支点作用于物体的反作用力。当物(人)体质心加速朝向支点运动时,支撑反作用力小于物(人)体重量,当物(人)体质心加速离开支点运动时,支撑反作用力大于物(人)体重量。
         牛顿第一定律   物体不受外力或所受合外力为0时,将保持原来的静止状态或匀速直线运动状态不变。
牛顿第一定律在体育运动中的应用
        物体具有惯性,如何合理利用惯性、提高人体运动效率、减小体能消耗具有重要意义。根据牛顿第一定律,要保持匀速直线运动并不需要外力,所以长距离运动如长跑运动中强调要保持适宜的均匀速度,这样可以节省体力提高运动效率。当物体由静止转入运动时需要外力克服惯性,已经运动起来了就要利用惯性保持运动,例如举起杠铃时要求动作连贯,不要停顿,这样才能充分利用惯性,取得好的运动效果。
        牛顿第三定律 两物体相互作用时,物体甲对物体乙的作用力F1与物体乙对物体甲的反作用力F2大小相等,方向相反,沿着同一直线,即 F1=-F2
牛顿第三定律在体育运动中的应用
        该定律应用普遍,凡是两物体相互作用都存在作用力和反作用力。
        人体运动,只凭内力是不能在环境中移动位置的内力只能改变身体姿势,只有在人体与外界环境接触并相互作用时,外界环境对人体的反作用力才能使人体在环境中位置移动,也就是说外力使人体位移,而外力就是做作用于反作用中的反作用力,当人体向外界施加作用力时,外界同时就以反作用力施加于人体,于是才能产生各动量定理及其应用
        动量 物体的质量与其速度的乘积为动量。
         k=mv  式中 k为动量,m为物体的质量,v为物体运动速度。
        牛顿第二定律还可以表达成 F=dk/dt即力=动量对时间的变化率。
        冲量 力与作用时间的乘积称为冲量。
动量定理及其应用
        动量 物体的质量与其速度的乘积为动量。
         k=mv  式中 k为动量,m为物体的质量,v为物体运动速度。
        牛顿第二定律还可以表达成 F=dk/dt即力=动量对时间的变化率。
动量定理在体育运动中的应用
        加大外力的冲量,以获得大的动量增量
        加大外力,延长力的作用时间才能加大冲量,而延长力的作用时间需延长力的作用距离。
        碰撞恢复系数
           v1' - v2'
        e= ------------             
            v1 - v2
        式中 v1 - v2为两物体碰撞前相互接近的速度,v1 - v2为两物体碰撞后互相离开的速度。e为碰撞恢复系数,其数值取决于物体的弹性。e=1为完全弹性碰撞,e=0为完全非弹性碰撞,0<e<1为非完全弹性碰撞。一般物体碰撞为非完全弹性碰撞
        恢复系数还可以用简单的方法确定,方法是将一种材料制成小球,另一种材料制成平板且水平放置,使小球自H高度垂直自由下落到平板上,测量其反弹高度h,则恢复系数为:
                       e=√h/H
                 转动定律
              刚体绕定轴转动时,转动惯量与角加速度的乘积等于作用于刚体的合外力矩。即:
                   M=I.β(对应于F=ma
冲量矩 力矩与作用时间的乘积。
动量矩 转动惯量与角速度的乘积。
        动量矩定理 冲量矩=动量矩的增量。即:
        Mt2- t1=Iω2-Iω1或MΔt=ΔIω
       三、动量矩守恒定律及其应用
        由动量矩定理 M.Δt=ΔIω,可以推导出,若合外力矩M=0则ΔIω=0即
           I2ω2-I1ω1=0也就是I2ω2=I1ω1=C合外力矩为0时,转动惯量与角速度的乘积等于常数。因此,动量矩守恒时,转动惯量增大,角速度减小,转动惯量减小则角速度增大。
        通常,人体在腾空中合外力矩为0因为腾空中,重力作用在重心,而人体腾空中的转动轴为经过重心的轴,重力对经过重心的轴不产生力矩。
动量矩守恒定律在体育运动中的应用
1.人体各部分的动量矩守恒
2.动量矩的转移
3.空间动量矩守恒
第七章 体育运动中的流体力学
二、流体的重度和密度
        重度  流体单位体积的重量定义为流体的重度。γ=G/V γ为重度,G为流体重量,V为流体体积。单位为N/m3 
        密度 流体单位体积的质量定义为流体的密度。ρ =m/Vρ为流体的密度。单位为Kg/m3 
        重度与密度的关系为:
                   γ=ρg
                 理想流体:可以忽略或假定无粘滞性的流体称作理想流体。理想流体是一种假想的模型。
        流线:表示流动速度特征的线,以线条的密度代表流速,密度大流速大,线条上切线的方向代表速度的方向。
                 二、连续性原理--连续性方程
               连续的流动中,流过各个过流断面的流量必须是相等的对于不可压缩流体)即 v1A 1=v2A 2=Q 式中Q为常数。A1和A2为同一流管中的两个过流断面,v1和v2分别为A1和 A2处流体的流速。
                由连续性方程可知,过流断面大处流速小,过流断面小处流速大。
                 伯努利方程是流体的能量守恒原理,方程描述了流动的流体流速和压力的关系。
        伯努利方程的导出是根据动能定理(外力对系统作功等于系统能量的增量)和连续性原理(流过各过流断面的流量相等)
                 层流 当流体流动速度较慢时,呈现分层流动的状态,这种状态称为层流。
                层流状态阻力较低。
 湍流 当流体流速较大,分层流动的状态被破坏,这种流动状态称为湍流。
                湍流状态阻力急剧加大。
 三、游泳中的阻力和推进力
        游泳中的阻力   
                包括摩擦阻力、压差阻力、兴波阻力、惯性阻力和肢体回返动作阻力。
               摩擦阻力 由流体的粘性所引起的阻力。与表面积、速度及皮肤表面光滑程度(泳衣的质料)有关,这种阻力不是主要的
              压差阻力 也称形状阻力,运动中物体的前后方有压力差,造成压差阻力。运动速度较大时成为阻力的主要来源,也是游泳阻力主要来源。该阻力与形状有关。这与游泳时人体在水中的姿势有关。
        兴波阻力 由于游泳时产生波浪,而产生波浪消耗的人体的能量,表现为阻力,这种阻力很大。特别是高速游泳中,可以占到总阻力的40%-50%以上。
                惯性阻力当物体作加速运动时,会带动周围的一部分水一起运动,所以物体的惯性也增加了一部分,由于增加的这部分水的运动需要能量,从而造成了阻力。注意动作的连贯性,尽量采用比较稳定的速度运动可以减小这种阻力。     
                 游泳中的推进力
                人体肢体的与游进方向相反的拨水、夹水、蹬水等动作作用于水,水对人体的反作用力就是游泳中的推进力。
                从能量的角度看,人体的动作给水以冲量,水则给人体以反冲量,使人体获得向前的动量增量。
 提高游泳速度的途径
        提高游泳速度要减小阻力,加大推进力。
    游泳阻力有五种,减小压差阻力要减小迎水面,一般采取水中平卧姿势;摩擦阻力不是主要的也可以在体表涂减小摩擦力的油;减小兴波阻力要注意减小激起的波浪;减小惯性阻力要动作连贯,速度稳定;减小肢体回返动作阻力需要减小回返时肢体的迎水面积和减小回返速度。 加大推进力可以加大肢体挡水面,加快划、蹬、夹水速度。 动作的高频率短周期能有效的提高游泳速度。理论推导和实验都证实了高频率短周期的作用。
 马格努斯效应 旋转球体在空气中飞行时,飞行路线弯曲,这种现象称为马格努斯效应。      
 马格努斯效应在体育运动中的应用 
 马格努斯效应(旋转球体在空气中飞行,运动路线弯曲)体育运动中有实际意义,例如,足球的角球直接射门;乒乓球的旋转球。
 足球角球直接射门又称“香蕉球”意思是球的飞行路线像香蕉一样弯曲,足球经过弯曲的路线直接进入球门。
[正文图表略.]
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