運動生物力學多媒體教學第5章人體運動的轉動力學

1、運動生物力學多媒體教學第5章人體運動的轉動力學人體各環(huán)節(jié)的運動都是繞關節(jié)軸的轉動。人體走、跑、跳等動作是通過環(huán)節(jié)的轉動來實現(xiàn)的。 在研究人體的轉動問題時，人體各個組成部分可自由移動，形狀也可改變。為了研究人體運動的規(guī)律性，必須在一定條件下將人體當作剛體處理。 5.1體育運動中人體轉動動作的類型 1、轉動軸與轉動的類型 剛體轉動時，剛體上的各點都做圓周運動，形成大小不等的同心圓，各圓的中心都位于同一直線上，這條直線叫做轉動軸。 如果轉動軸的位置和方向相對于某一參照系是固定的，稱固定軸；繞固定軸的轉動叫定軸轉動。 如果轉動軸的位置和方向相對某一參照系是變化的，稱動軸；繞動軸的轉動叫動軸轉動，又叫瞬

2、軸轉動。 2、人體轉動的轉動軸 實體軸 當人體繞固定在地面上的運動器械轉動時，器械就是人體轉動的實體軸。 非實體軸 非實體軸是人體局部肢體或整體轉動時所繞的位于人體內部的某特定的直線。如通過關節(jié)中心點的關節(jié)軸以及人體的基本軸。失狀軸額狀軸垂直軸當人體作為一個整體發(fā)生轉動時，是通過人體總重心的三個相互垂直的軸，來判斷人體的轉動情況的。以人的總重心為原點建立的三維直角坐標系的三條軸線，即為人體的基本軸。人體在完成空翻轉體等動作時，人體的基本軸的空間方位相對于人體是不改變的。 失狀面額狀面水平面 3、人體轉動動作的基本形式 有支點有實體軸的轉動 人體整體繞固定在地面上的運動器械的轉動，即為有支點有實

3、體軸的轉動。如體操動作中不脫離器械握點的擺動、回環(huán)；類的動作。人體的重心軌跡近似為一圓或一圓弧。 有支點無實體軸的轉動 人體局部肢體或整體繞通過人體內部的非實休軸的轉動，即為有支點無實體軸的轉動。如花樣滑冰運動員冰上旋轉、投擲鐵餅、鏈球的旋轉動作以及籃球運動員的轉體動作等。支點又可分固定和不固定的兩種。 無支點無實體軸的空間單軸轉動 無支點無實體軸的空中多軸向復合運動 無支點無實體軸的空間單軸轉動無支點無實體軸的空中多軸向復合運動5.2轉動運動學R轉動剛體上各點的轉動角速度和線速度例題講解:P1235.3 轉動動力學1. 形成人體轉動的力學條件人體轉動，一種是人體局部肢體在肌肉力的作用下，牽引

4、骨骼繞關節(jié)軸的轉動，一種是人體整體繞人體基本運動軸的轉動。繞關節(jié)軸的轉動人體整體繞人體基本運動軸的轉動從力學觀點出發(fā)，轉動的產生必須保證合外力矩不為零。合外力矩的概念（在靜力學中結束過的內容） 合力矩的方向*在人體轉動時幾種情況：繞實體軸的轉動合外力矩不等于零，肌肉力矩和重力矩之和不等于零。肢體繞關節(jié)軸轉動力矩不等于零，阻力（包括重力矩）與肌肉力矩。人體整體轉動：對一個軸、兩個軸和三個軸的合外力矩分別不等于零。2、人體轉動慣量轉動慣量的概念（與平動物體質量的概念對應） 描述物體轉動時保持原來轉動狀態(tài)能力的物理量。I為轉動慣量，m每個質點的質量，r為轉動半徑，單位：Kgm2對一個物體來講：注意：

5、轉動慣量大小必須指明是對哪個軸的。研究人體轉動問題時，必須通過測量來確定。通常將人體簡化為規(guī)則體（模型），利用數(shù)學計算。正是人體轉動慣量的這種可變性，使人體可以根據(jù)不同的動作目的，調整身體的姿勢，以改變轉動慣量來達到自我控制的目的。在體育運動中，利用人體轉動慣量的可變性，可以通過變換轉動軸或通過改變身體姿勢來改變轉動慣量，以完成各種高難度動作。 平行軸定理 剛體對O軸（任意軸）的轉動慣量等于剛體對通過其質心軸，并且與O（任意軸）平行的I軸的轉動慣量，加上剛體的質量與兩平行軸之間的距離平方的乘積。dLOCIcIO大腿繞髖關節(jié)額狀軸的轉動慣量 回轉半徑 假如繞某轉動軸的物體的全部質量集中在離軸某一

6、距離的點上，即用這個點代表整個物體的質量，這時它的轉動慣量如果恰好與原物體相對此軸的轉動慣量相等，則稱這個距離為回轉半徑。即：人體轉動慣量的特點質量分布不均勻 人體的轉動慣量每時每刻都在變化，因為人體質量分布因血液循環(huán)、呼吸的影響隨時都在變化，尤其是運動時，人體轉動慣量會隨不同位置的轉軸和身體姿勢的改變而發(fā)生相應的改變。必須進行實際測量隨人體姿勢的變化而改變影響人體轉動慣量的因素：人體的質量身體形態(tài)（身高和胸圍等等）身體姿勢（動作變化）轉動軸的位置轉動慣量的變化對轉動角速度的影響作業(yè)：P151：1,3,4,5,95.4支撐狀態(tài)下的人體轉動動作1. 轉動定律（與牛頓第二定律對應）所有轉動力學量與

7、平動力學量對應2. 動量矩定理 Mt為沖量矩，它的意義是表示外力矩對物體轉動的累積效應。 I為動量矩，它是表示剛體的轉動狀態(tài)。 不同時刻剛體動量矩的變化是外力引起沖量矩的作用結果。外力矩越大，作用時間越長，剛體轉動狀態(tài)的變化也越大。動量矩定理的應用1. 對人體局部肢體(環(huán)節(jié))的運動 人體的各種運動狀態(tài)都以骨杠桿的轉動為基礎，而骨杠桿的轉動狀態(tài)的變化，則是肌肉拉力矩的作用結果。在體育動作中為增大環(huán)節(jié)的轉動效果，通?？刹捎萌缦峦緩剑海?）增大肌力矩： 增大肌肉對環(huán)節(jié)的拉力矩，可以增大環(huán)節(jié)繞相應關節(jié)的轉動角速度或角加速度。而肌力矩的增大一方面可增大肌肉收縮力；另一方面增大肌力臂。肌力隨肌肉是收縮而變

8、化，肌力臂隨肌拉力角而變化。故臀部肌肉強壯的黑人善于跳躍就是這個原因。黑人運動員肌肉特點（2）減小轉動慣量 當肌力矩一定時，減小環(huán)節(jié)或環(huán)節(jié)系對某軸的轉動慣量，可以達到增大轉動角速度或角加速度的目的。故此，在環(huán)節(jié)繞關節(jié)軸的轉動時，通常采用參與轉動的環(huán)節(jié)或環(huán)節(jié)系的質量盡可能靠近轉軸的方法。以減小它們對轉軸的轉動慣量，從而提高轉動角速度或角加速度。例如； 短跑運動員在擺腿時，通常需折疊大，小腿，以減小下肢對髖軸的轉動慣量，從而快速前擺。而上肢也是在肩關節(jié)內擺動，采用屈前臂，以減小上肢對肩關節(jié)的轉動慣量而快速擺動。跑步動作中大小腿的折疊2人體整體的運動（1） 利用運動中身體某點的制動： 例如，跳躍的制

9、動踏跳，結果是人體繞制動點轉過一個角位移，使人體獲得盡可能大的起跳速度的同時，獲得盡可能最佳的角度，從而跳得更高更遠?？鐧谄鹂鐣r的支撐腳制動作用投擲標槍的左側制動 （2） 增大偏心力矩的作用 人體受偏心力作用時，將對質心產生偏心力矩，此力矩將使人體產生對質心的角加速度。例如在完成前空翻動作時，地面對人體的支撐反作用力F通過人體重心后方，力的作用線至身體重心的力臂為R，偏心力矩M=FR。根據(jù)動量矩定理，在蹬地階段人體將獲得一定的動量矩，并以此動量矩進入騰空，從而有利于完成前空翻動作。Fd跳水起跳產生的偏心力矩 （3） 利用動量矩的轉移 運動過程中方向不斷變化，但對動量矩的影響不大。人體整體在繞某

10、軸或基本軸的轉動時，往往還伴隨著部分環(huán)節(jié)繞基本軸的轉動，故此，人體可通過調節(jié)各環(huán)節(jié)的運動形式，以實現(xiàn)動量矩在身體內的傳遞和轉移。動量矩在身體內的傳遞和轉移主要是利用某些身體環(huán)節(jié)的突然制動，從而使這些環(huán)節(jié)原以獲得的動量矩向相鄰環(huán)節(jié)傳遞和轉移。 如圖：投擲的上肢用力 125.5人體無支撐狀態(tài)下的轉動動作 動量矩守恒定律 無支持狀態(tài)為人體騰空狀態(tài)。除重力以外，將人體看成一個整體系統(tǒng)，那么它受到的合外力矩為0，其總動量矩將保持不變即為動量矩守恒定律。 動量矩守恒定律的應用 肢體的相向運動 騰空狀態(tài)下（不計空氣阻力），人體一部分肢體以一定的動量矩繞轉軸的某一方向轉動時，另一部分肢體就會以大小相等的動量矩繞同一轉軸相反方向轉動，這種現(xiàn)象稱為“相向運動”。這時的動量矩矢量和等于0。肢體的相向運動的實例空中角速度的變化 由于角動量為常量,所有轉動的角速度與轉動慣量成反比. 騰空后的團身減小轉動慣量,加快轉動的角速度.茹可夫轉椅實驗不同的團身(轉動慣量)對翻轉速度的影響5.6轉動作用在體育中的應用1. 定向作用 當動量矩等