人體生物力學(xué)參數(shù)

1、第二章第二章 人體生物力學(xué)參數(shù)人體生物力學(xué)參數(shù)教學(xué)目標(biāo)：1、掌握人體慣性參數(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的基本特征以及各類參數(shù)的采集方法。2、理解運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)參數(shù)特征。第一節(jié)第一節(jié) 人體慣性參數(shù)人體慣性參數(shù)包括人體整體以及環(huán)節(jié)的質(zhì)量、質(zhì)心（重心）位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。一、人體慣性參數(shù)特征（一）、人體慣性參數(shù)特征量1、質(zhì)量：用以描述物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量。人體各環(huán)節(jié)的質(zhì)量叫做各環(huán)節(jié)的絕對(duì)質(zhì)量，各環(huán)節(jié)絕對(duì)質(zhì)量與人體質(zhì)量之比叫做各環(huán)節(jié)的相對(duì)質(zhì)量。2、重量：環(huán)節(jié)絕對(duì)重量/相對(duì)重量。 G=mg3、人體質(zhì)心（重心）：在生物力學(xué)上多用質(zhì)心。質(zhì)心：是物體的質(zhì)量中心；重心：是物體各部分所受重力合力作用點(diǎn)。

2、人體重心可分別用絕對(duì)值和相對(duì)值來表示，后者是前者與身高的比值。絕對(duì)重心與身高有關(guān)，相對(duì)重心與人體的體型有關(guān)，可以作為運(yùn)動(dòng)選材的指標(biāo)。4、環(huán)節(jié)質(zhì)心（重心）位置：描述人體環(huán)節(jié)質(zhì)心（重心）位置，一般采用環(huán)節(jié)質(zhì)心（重心）半徑系數(shù)的概念，即近側(cè)關(guān)節(jié)中心至環(huán)節(jié)質(zhì)心（重心）的距離與環(huán)節(jié)長(zhǎng)度的比值。5、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：是衡量物體（人體）轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大小的物理量，用以描述物體保持原有轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的能力。 J= miri2思考：用體育實(shí)例說明影響因素。6、回轉(zhuǎn)半徑（轉(zhuǎn)動(dòng)半徑）：假設(shè)繞某轉(zhuǎn)動(dòng)軸的物體全部集中在離軸某距離的一點(diǎn)上，即用這一點(diǎn)來代表整個(gè)物體的質(zhì)量，這時(shí)它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如果恰好與原物體相對(duì)此軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相等，則稱這個(gè)距離為

3、回轉(zhuǎn)半徑（R）。1ni/RJ m思考：1、我們剛才講的是求質(zhì)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，它是很簡(jiǎn)單的，如果讓我們求人體或者一個(gè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，如何求？ J= miri20l2、如果物體的轉(zhuǎn)動(dòng)軸發(fā)生了平移，距離為d，在已知原轉(zhuǎn)動(dòng)軸（繞過質(zhì)心）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，如何求平移后轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量？J1=J0 md2這就是轉(zhuǎn)動(dòng)的平行軸定理。這就是轉(zhuǎn)動(dòng)的平行軸定理。通過物體質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小。通過物體質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小。（二）人體慣性參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化： 在人體慣性參數(shù)測(cè)量時(shí)，人體環(huán)節(jié)的劃分和人體環(huán)節(jié)關(guān)節(jié)的判定是參數(shù)測(cè)量中的基礎(chǔ)性技術(shù)環(huán)節(jié)，所以確定環(huán)節(jié)的劃分方法十分重要。1、人體環(huán)節(jié)的劃分：目前有兩種劃分依據(jù)：一種是以功能為依據(jù)，即

4、以關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心分界，并以兩關(guān)節(jié)中心間的連線確定環(huán)節(jié)長(zhǎng)度（德國(guó)、美國(guó)）。一種是以尸體解剖為依據(jù)，即以骨性標(biāo)志把人體分為若干環(huán)節(jié)（日本、前蘇聯(lián)、中國(guó)）。各有優(yōu)缺點(diǎn)。2、人體環(huán)節(jié)關(guān)節(jié)點(diǎn)的判定：、確定關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的原則：關(guān)節(jié)點(diǎn)應(yīng)是關(guān)節(jié)瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心；關(guān)節(jié)中心必須位于兩環(huán)節(jié)縱軸的交界點(diǎn)，使得環(huán)節(jié)兩端與關(guān)節(jié)縱軸接觸；參考骨性體表標(biāo)志；關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置應(yīng)與所引用的環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)慣性參數(shù)測(cè)量方法相一致。、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心位置的確定方法：、手：腕關(guān)節(jié)中心至手質(zhì)心的連線為手環(huán)節(jié)的縱軸。、腕關(guān)節(jié)：腕橫紋的中點(diǎn)。、肘關(guān)節(jié)：肘橫紋中點(diǎn)（前面觀）；尺骨鷹嘴中心（后面觀）。、肩關(guān)節(jié)：肩部中心。、髖關(guān)節(jié)：腹股溝線中點(diǎn)（正面觀）。、軀干：兩肩

5、關(guān)節(jié)連線中點(diǎn)與兩髖關(guān)節(jié)連線中點(diǎn)的連線。、膝關(guān)節(jié)：髕骨中點(diǎn)。、踝關(guān)節(jié)：腓骨外踝隆起處（外側(cè)觀）；脛骨內(nèi)踝下緣（內(nèi)側(cè)觀）。、足縱軸：跟結(jié)節(jié)與中趾的連線。3、人體慣性參數(shù)模型（剛體模型）：根據(jù)我們剛才所述依據(jù)和原則，建立的人體慣性參數(shù)模型。、漢納范模型：將人體分為15個(gè)環(huán)節(jié)。頭、上軀干、下軀干、臂、前臂、手（ 2 ） 、大腿、小腿、足（ 2 ）。、蘇聯(lián)模型：將人體分為16個(gè)環(huán)節(jié)。頭、上軀干、中軀干、下軀干、臂、前臂、手（ 2 ） 、大腿、小腿、足（ 2 ）。、中國(guó)人模型：將人體分為16個(gè)環(huán)節(jié)。頭、頸、上軀干、下軀干、臂、前臂、手（ 2 ） 、大腿、小腿、足（ 2 ）。、目前國(guó)際上常用的模型：將人體分

6、為14個(gè)環(huán)節(jié)。頭頸、軀干、臂、前臂、手（ 2 ） 、大腿、小腿、足（ 2 ）。（三）、人體慣性參數(shù)的特性：1、人體重心的位置：影響人體總重心的因素有六個(gè)：、性別：總體上女性比男性的相對(duì)高度低0.5%-2%。、年齡：一般來說兒童比成年人約高10%-15%，隨著年齡的增長(zhǎng)會(huì)下降。、運(yùn)動(dòng)專項(xiàng)：、體型：、姿勢(shì)：重心不一定要在人體上（前傾或者后屈）。、生理與心理：主要是內(nèi)臟位置和血液的影響。二、人體慣性參數(shù)的測(cè)量：1、尸體解剖法：2、活體測(cè)量法：主要包括水侵法和注入法。3、放射性同位素測(cè)定法：4、CT法：5、MRI法:第二節(jié)第二節(jié) 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)一、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)特征：人體的運(yùn)動(dòng)是在一定的時(shí)間和空間維

7、度上進(jìn)行的，人體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)是對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的定量描述，研究人體在空間的幾何位置隨時(shí)間而變化的規(guī)律性。（一）、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)：包括時(shí)間參數(shù)、空間參數(shù)、時(shí)空參數(shù)1、時(shí)間參數(shù)：（1）、時(shí)刻：瞬時(shí)性。（2）、時(shí)間：是運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)刻與開始時(shí)刻之間的間隔。（3）、頻率：是動(dòng)作重復(fù)性的度量，即單位時(shí)間內(nèi)重復(fù)進(jìn)行的動(dòng)作次數(shù)。主要針對(duì)周期性動(dòng)作。2、空間參數(shù)：（1）、路程：質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的全長(zhǎng)。標(biāo)量。（2）、位移：運(yùn)動(dòng)的直線量度。矢量。（3）、角位移：矢量。3、時(shí)空參數(shù)：（1）、速度：矢量。位移與時(shí)間的比值。（2）、速率：標(biāo)量。路程與時(shí)間的比值。（3）、角速度：矢量。（4）、加速度：矢量，單位時(shí)間內(nèi)速度的變化量。（5）、

8、角加速度：矢量。（二）、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)相對(duì)特征。（二）、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)相對(duì)特征。 在研究問題時(shí)，涉及位移、速度、加速度等都是相對(duì)于選定的參考系而言，只有確定了參考系，這些量才有確定的意義，這一性質(zhì)特征可概括為相對(duì)性。主要指參考系和坐標(biāo)系。1、參考系：（1）、慣性參考系：是指以地球或者相對(duì)于地球靜止不動(dòng)的物體或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體作為參考系，通常又稱為靜參考系。（2）、非慣性參考系：是指以相對(duì)于地球做變速運(yùn)動(dòng)的物體，或者說以相對(duì)于慣性參考系做變速運(yùn)動(dòng)的物體作為參考系，通常稱為動(dòng)參考系。2、坐標(biāo)系：具有參考原點(diǎn)、參考方向、參考單位的參考系。常用的有三種：（1）、一維坐標(biāo)系：如滑冰運(yùn)動(dòng)（2）、二維坐標(biāo)系：如

9、跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)在平面問題中，還可引用極坐標(biāo)軸。（3）、三維坐標(biāo)系：（三）、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的瞬時(shí)性特征： 瞬時(shí)性是指人體在某一時(shí)刻或通過運(yùn)動(dòng)軌跡某一點(diǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)可以了解運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)的特征與指標(biāo)，比平均指標(biāo)有更詳細(xì)的認(rèn)識(shí)，具有平均指標(biāo)不可替代的作用。1、瞬時(shí)速度與平均速度：瞬時(shí)速度是人體在某一時(shí)刻或通過運(yùn)動(dòng)軌跡某一點(diǎn)時(shí)的速度。0limtst 2、瞬時(shí)加速度與平均加速度：瞬時(shí)加速度是指人體運(yùn)動(dòng)在某一時(shí)刻或某一位置的加速度。V=0limtvat 平均加速度：速度、加速度一般在直線運(yùn)動(dòng)中用到，曲線運(yùn)動(dòng)不用這些參數(shù)。二、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的采集：這部分了解。第三節(jié)第三節(jié) 動(dòng)力學(xué)參數(shù)動(dòng)力學(xué)參數(shù)一、動(dòng)力學(xué)參數(shù)：（

10、一）力：力的三要素：大小、方向、作用點(diǎn)。矢量。力的合成與分解遵循平行四邊形法則。1、人體內(nèi)力與外力：關(guān)鍵是看研究的對(duì)象的選定。2、人體受力特點(diǎn)：人體受力按受力面可分為集中力和分布力。點(diǎn)和面得區(qū)別，人體受力基本都是分布力。一般簡(jiǎn)單為集中力。根據(jù)力的作用線與人體質(zhì)心的位置關(guān)系，人體受力又可分為正心力（如重力）和偏心力（如摩擦力）。3、體育運(yùn)動(dòng)中常見的人體外力：人體重力：是非接觸力，分人體重心，環(huán)節(jié)重心。彈力：產(chǎn)生于直接接觸的物體之間，以物體相互接觸并發(fā)生形變?yōu)橄葲Q條件。是接觸力。摩擦力：分靜摩擦力、滑動(dòng)摩擦力和滾動(dòng)摩擦力。舉例體育支撐反作用力：分為靜力性（重力產(chǎn)生）和動(dòng)力性支撐反作用力（由于人體局

11、部做變速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生）。（二）、力矩：力矩是使物體（人體）轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變的原因，用M表示。 M=rF力矩是矢量，方向用右手螺旋定則確定。在平面力系中，往往把形成逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)效果的力矩定義為“正”力矩，把形成順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)效果的力矩定義為“負(fù)”力矩。（三）動(dòng)量：動(dòng)量是用以描述物體在一定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下具有的“運(yùn)動(dòng)量”。 p=mv動(dòng)量是矢量，方向?yàn)樗俣鹊姆较?。（四）、?dòng)量矩：動(dòng)量是一個(gè)十分重要的物理量，在研究碰撞、打擊這一類問題時(shí)非常重要。在研究物體（人體）轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，我們引用動(dòng)量矩（又稱角動(dòng)量）。L=J動(dòng)量矩是矢量，方向與角速度一致。（五）、沖量：力在時(shí)間上的積累用沖量表示。I=F（t1-t0) 前提：力

12、為恒力。沖量是矢量，方向與力的方向一致。但是實(shí)際中，人運(yùn)動(dòng)中受的力為變力。所以一般用積分表示。10( )ttF t dtI=思考：思考：1、動(dòng)量與恒外力和作用時(shí)間有什么關(guān)系？（圖）、動(dòng)量與恒外力和作用時(shí)間有什么關(guān)系？（圖）2、動(dòng)量與變外力和作用時(shí)間有什么關(guān)系？、動(dòng)量與變外力和作用時(shí)間有什么關(guān)系？ （圖）（圖）3、動(dòng)量與沖量有什么關(guān)系？、動(dòng)量與沖量有什么關(guān)系？從而引出一個(gè)重要的定律：動(dòng)量定律。動(dòng)量定律。F(t-t0)=mvt-mv0即：物體動(dòng)量的變化等于合外力的沖量。即：物體動(dòng)量的變化等于合外力的沖量。思考：1、“更高、更快、更強(qiáng)”的本質(zhì)是追求什么物理量？舉例：跳高。H=？2、增加沖量的方法有哪些？ （圖）（圖）3、在投擲項(xiàng)目中，為了增加出手速度，即增加出手動(dòng)量，應(yīng)增加用力過程中對(duì)器械的沖量。舉例：