2009级运动生物力学讲稿第四章.doc

第四章 运动生物力学原理 第一节 摆动动作的生物力学原理 一、摆动动作概述 （一）摆动动作的定义： 摆动动作是指人体肢体为增加全身活动的协调性及增加动作效果而绕某一轴进行的一定幅度的转动动作。（肢体摆动动作） 摆动的主要目的有二：一是增加全身活动协调性，保持人体平衡；二是增加动作效果。 例如，跳高踏跳主要由踏跳腿完成，但如果没有两臂及摆动腿的积极配合，起跳动作就难以做好；走步式跳远的空中动作中，两臂的向前轮摆及两腿的走动，是运动员躯干维持平衡的必要条件。 （二）摆动动作的形式： 1、摆动动作的基本形式包括上肢的摆动、下肢的摆动和全身（上下肢）协调配合摆动。在实际体育动作中，多数为上、下肢协同摆动共同配合主体动作完成的。 2、在不同运动中，摆动动作的基本要求不同，如跳高、跳远中摆动动作与短跑的摆动动作要求不同。同时对某一项目而言，不同阶段的摆动动作形式与要求也不同，如跳高或跳远的助跑、起跳、腾空等阶段的摆臂、摆腿形式与要求不同。 （三）摆动动作的生物力学意义： 综合跑、跳等运动项目的摆动特点，摆动动作的生物力学意义有如下几点： 1、协调人体动作，维持身体平衡。 2、在跑动时上肢高节奏、有力的摆臂动作对下肢的快速摆动及步幅、步频起促进作用。 3、在跑动时，摆动腿的积极下压和小腿的“扒地”动作可减小足的着地速度，有利于减小地面的碰撞阻力。 4、跑、跳过程肢体加速向上或向前上方的摆动可加大地面对人体的支撑反作用力。 5、摆动动作可提高起跳离地瞬间的身体重心的高度。（做摆动动作时，由于摆动环节的质量向上移动，改变了身体的质量分布，因而使得人体总重心的相对位置升高） 6、起跳过程的肢体加速上摆和积极制动，可是人体获得较大的动量矩，并促进摆动肢体的动量矩向全身的转移，增加了躯干和起跳腿向上的速度。 7、摆动动作使人体获得一定的转动效应。 二、摆动动作的力学原理 一般地，上肢的摆动动作是以肩关节为轴转动，下肢是以髋关节为轴的转动，因而摆动动作力学原理服从转动力学原理。 （一）转动定律： 物体转动的角加速度与其所受合外力矩成正比，与其转动惯量成反比。（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） 1、公式推导： 2、转动定律被称为转动力学中的牛二，其物理意义：外力矩是刚体转动状态改变的力学原因(是使物体产生角加速度的原因)。 3、说明： （1）式中力矩M、角加速度β和转动惯量J均对同一转轴而言，且M与J方向恒一致。 （2）M=r×F中M物理意义是力矩的大小是力与力臂之积，力矩的方向垂直于r和F所决定的平面，因此，角加速度的方向也一定垂直于r和F所确定的平面。 （3）定律表明，要加大肢体摆动的角加速度，一是减小摆动肢体的转动惯量，二是增大肌力矩。前者可以通过肢体的屈曲来改变转动惯量的大小，后者可以通过增大肌肉力量和肌力臂来增大肌力矩。 （二）动量矩定理(角动量定理) 将代入转动定律可得：（动量矩定理） 其中： 称为冲量矩或角冲量。表示外力矩对刚体转动的积累效应。 称为动量矩，表示刚体的转动状态。 △刚体动量矩的改变量等于它所受到的冲量矩--动量矩定理，其物理意义是刚体转动状态的变化是外力矩的冲量作用的结果。外力矩越大，作用时间越长，刚体转动状态的变化也越大。 △动量矩定理的应用：局部肢体的转动动作（减小摆动肢体的转动惯量和增加肌力矩可以加大摆动的角加速度） ①加大肌肉的冲量矩，以加大转动效果： 由转动定律和动量矩定理可知，增大肌肉的拉力矩可以增大环节绕相应关节的摆动角加速度。根据肌力矩的定义可知，增大肌力矩可以通过增大肌力和增大肌力臂来实现。因此加大肌肉的爆发力和肌肉厚度是增大肌力矩的重要因素。一般而言，肌肉隆起显著者，可获得较大肌力臂，其原因是深层肌肉为浅层肌肉提供了较大肌力臂，这也是为什么臀部显著隆起的黑人运动员特别擅长跳跃的重要原因。 由可知： A、加大，力量训练，增加肌肉收缩前的初长度。 B、加大（肌力臂），主要通过加大肌拉力角增加肌力臂。 例如：膑骨可以加大肌力臂，肌肉隆起者肌力臂大，屈蹬跑可以加大屈膝肌力臂。 C：延长 ②减少肢体的转动惯量，以加大转动效果： 当肌力矩一定时，减小环节对轴的转动惯量，可以达到增大摆动角加速度的目的。因此，在环节绕关节的摆动过程中，通常采用摆动环节尽可能靠近转轴的方法，以减小它们对转轴的转动惯量。如短跑运动员在摆腿时通过折叠大、小腿减小下肢对髋轴的转动半径来减小转动惯量，从而达到快速前摆。在选材时，一般选大腿、上臂较短，而小腿、前臂较长者。足球运动员在前摆的开始阶段往往也通过折叠大、小腿来减小下肢对髋关节的转动半径来减小其转动惯量，从而达到快速前摆的目的。 由可得 ， 当不变时，ω与J成反比。 （三）动量矩的传递： 人体内各环节的动量矩可以传递和转移，其机