運動生物力學(xué)：人體運動中的動力學(xué)

人體運動中的動力學(xué)人體運動中的動力學(xué)一、定義二、牛頓三大運動定律及應(yīng)用三、動量定理四、動量守恒定律五、人體運動中的功能關(guān)系功能轉(zhuǎn)化能量守恒一、人體運動中的力學(xué)基礎(chǔ)—動力學(xué)生物學(xué)

力學(xué)運動生物力學(xué)分支分支一、人體運動中的動力學(xué)—定義運動學(xué)：幾何性質(zhì)的現(xiàn)象描述，是運動物體在時間空間上的運動狀態(tài)及運動規(guī)律描述。動力學(xué)：用力學(xué)分析的方法來了解產(chǎn)生運動變化的原因，運動狀態(tài)變化與力的關(guān)系。一、人體運動中的力學(xué)基礎(chǔ)—動力學(xué)在動力學(xué)分析研究中，仍將人體或器械簡化為質(zhì)點或剛性進行研究，在運動問題的實際研究中應(yīng)注意其局限性。質(zhì)點滿足條件：1、物體上所有點的運動情況相同2、物體大小形狀不影響問題研究3、不研究轉(zhuǎn)動物體的自轉(zhuǎn)的時候二、牛頓定律—牛頓第一定律牛頓第一運動定律（慣性定律）：任何物體，在不受外力作用時，都保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動。牛頓第一定律也稱為慣性定律。自然界找不到不受外力作用的物體，在實際中應(yīng)理解為物體受到的合外力為零（平衡力）。慣性：物體具有保持它原有運動狀態(tài)不變的性質(zhì)。二、牛頓定律—牛頓第一定律的應(yīng)用慣性原則的應(yīng)用：1、注意動作的連貫性2、注意動作過程中各個環(huán)節(jié)肌肉用力的順序3、注意緩沖動作，避免運動損傷4、在長距離競賽項目中，用適宜的負荷量，除起跑和沖刺外勻速跑完全程效果最佳二、牛頓定律—牛頓第一定律的應(yīng)用二、牛頓定律—牛頓第一定律的應(yīng)用利用好慣性的原則：1、注意動作的連貫性

2、注意動作過程中各個環(huán)節(jié)肌肉用力的順序二、牛頓定律—牛頓第二運動定律牛頓第二運動定律：質(zhì)點受力作用時獲得的加速度的大小與作用力的大小成正比，與質(zhì)點的質(zhì)量成反比F=ma定律中的物體被當作質(zhì)點合外力具有矢量性，對合力進行分解時，不同方向的力產(chǎn)生不向方向上的加速度效果，如垂直、水平方向分力。相同外力下，質(zhì)量越大，產(chǎn)生的加速度越小，越不容易改變運動狀態(tài)，反之亦然二、牛頓定律—牛頓第二運動定律的應(yīng)用已知一只蚊子質(zhì)量約5毫克，棒球棍瞬間揮舞擊中蚊子的速度可以達到80m/s，假設(shè)蚊子在被棒球棍擊中前在空中盤旋的速度忽略不計，被棒球棍擊中瞬間，在0.04s內(nèi)加速到與棒球棍相同的速度，加速過程近似看做勻加速，請同學(xué)們估算，棒球棍對蚊子的作用力多大？二、牛頓第二運動定律的應(yīng)用（圓周運動）向心力與離心力的應(yīng)用向心力（圓周運動）：二、牛頓第二運動定律的應(yīng)用（圓周運動）二、牛頓第二運動定律的應(yīng)用（圓周運動）短道速滑二、牛頓定律—牛頓第三運動定律牛頓第三運動定律（作用力與反作用力）兩個物體間的作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用在同一直線作用力與反作用力分別作用在不同物體上，非一對平衡力作用力與反作用力互為條件二者為同性質(zhì)的力定律不受物體的運動狀態(tài)影響二、牛頓定律—牛頓第三運動定律的應(yīng)用二、牛頓定律—牛頓第三運動定律的應(yīng)用支撐反作用力R：①是一種被動約束力②當人體處于支撐狀態(tài)時，支撐點及反作用于人體的力，作用力與支撐反作用力大小相等方向方向相反。③支撐反作用力的大小和方向隨人體運動狀態(tài)和作用形式而變化當人體靜止時，支撐反作用力稱靜態(tài)支撐反作用力。有

G=R=mg當人體相對于支撐運動狀態(tài)發(fā)生改變（蹬起或下蹲）時，支撐反作用力稱為動態(tài)支撐反作用二、牛頓定律—牛頓第三運動定律的應(yīng)用在原地縱跳中，下蹲和蹬伸的過程：R=G+ma當?shù)牌饡r

a＞0R＞G(超重現(xiàn)象)當下蹲時

a＜0R＜G（失重現(xiàn)象）動態(tài)支撐反作用力是不斷變化的過程二、牛頓定律—牛頓第三運動定律的應(yīng)用測力平臺GRF曲線（GroundReactionForce）三、動量定理動量：速度與質(zhì)量的乘積，表示質(zhì)點機械運動強度的一種度量，說明物體的運動量與其速度和質(zhì)量有關(guān)。K=mv（矢量，單位：kg·m/s）力的沖量：用力與作用時間的乘積來衡量力在這段時間內(nèi)累積的作用

（矢量，單位：N/s）

可見在充分發(fā)揮身體各環(huán)節(jié)的肌力時，延長作用時間能收到更好的效果三、動量定理動量定理：物體在運動過程中，在某種時間內(nèi)動量的改變△K等于所受合外力在這段時間內(nèi)的沖量I，即三、動量定理的應(yīng)用投擲項目中增加作用距離，可增加作用時間及投擲力三、動量定理的應(yīng)用延長作用時間減少沖力（動量變化量一定時）跳遠落地動作：屈膝、屈髖、緩沖或地面緩沖三、動量定理的應(yīng)用而對于技巧性強的球類運動，可根據(jù)技戰(zhàn)術(shù)的要求，來調(diào)節(jié)這些動作的擊球時間、方向和打擊力的大小。三、動量定理的應(yīng)用運用動量定理可計算人體運動中的力學(xué)參數(shù)如跟據(jù)力F（測力平臺），求人體騰空速度v=I/m例題：質(zhì)量為0.3千克的棒球，以10m/s的速度向球員飛來，被擊打之后以15m/s的速度反向飛去，假設(shè)擊打時間為0.01s，求棒球所受的平均打擊力解：根據(jù)動量定律四、動量守恒定律動量守恒定律：任何物質(zhì)系統(tǒng)在不受外力作用或所受的外力和為零時，那么總動量保持不變。對于單一物體系統(tǒng)來說，當時，或四、動量守恒定律小球碰撞模型四、動量守恒定律物體m1：物體m2：

因為所以

四、動量守恒定律的應(yīng)用動量守恒定律說明系統(tǒng)的內(nèi)力只能使動量在系統(tǒng)內(nèi)部的各物體之間傳遞。①上述結(jié)論可以推廣到多個物體的碰撞。②人體由多環(huán)節(jié)構(gòu)成，各個環(huán)節(jié)動量的矢量和等于人體的總動量。③人體在未受外力時，人體內(nèi)力只能改變各環(huán)節(jié)的相對位置，改變各環(huán)節(jié)的動量值，只能使某環(huán)節(jié)動量的改變量傳遞到其它環(huán)節(jié)。例如：上下肢的鞭打動作、大臂帶動小臂、動量傳遞。四、動量守恒定律的應(yīng)用上肢的鞭打動作：上臂帶動前臂、動量傳遞到腕、掌、指關(guān)節(jié)五、人體運動中的功能關(guān)系功是能量轉(zhuǎn)化效果的度量，反映了力對物體作用效果隨物體位移的積累。能量是物體做功本領(lǐng)大小的反映。物體做功的本領(lǐng)越大，具有的能量越大。能量守恒與轉(zhuǎn)化定律：能量既不能創(chuàng)造也不能消滅，只能由一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。JRMeyer邁爾（1814~1878）五、人體運動中的功能關(guān)系—機械功機械功：力對物體作用效果隨物體位移的積累。功是標量，只有大小沒有方向，正功表達力與位移同向，負表示力與位移反向。正負功的含義只表示外力對物體做功還是物體克服外力而做功。單位:焦耳(J)1焦耳=1牛頓.米(N.m)五、人體運動中的功能關(guān)系—機械功物體做曲線運動時，變力做功：將路程分成許多小段，當每小段充分小時,可以看成是直線位移,在每一段上的力可以看成是恒力,此時第i段上：總功應(yīng)為：五、人體運動中的功能關(guān)系—機械功機械功率:表示做功快慢的程度平均功率:P=△W/△t=F△S/△t=瞬時功率:P=lim△W/△t△t→0瞬時功率等于平均功率在△t趨于零時的極限值。推導(dǎo)：P=lim△W/△t=limF△scosα/△t=Fcosαlim△s/△t=F.v.cosα=即：瞬時功率等于力與瞬時速度在力方向上分量的乘積，單位：瓦特（焦耳/秒）五、人體運動中的功能關(guān)系—機械能動能：物體由于本身的運動而具有的能量叫動能。（凡是由運動物體的速度決定的能量都稱動能）。（I為轉(zhuǎn)動慣量，ω為轉(zhuǎn)動角度）I=mr2(r為質(zhì)點距轉(zhuǎn)軸的垂直距離)機械能：物體因機械運動所具有的能量叫做機械能，包括動能和勢能。五、人體運動中的功能關(guān)系—機械能不運動的物體沒有動能，但并不等于沒有能量。勢能：勢能由相互作用的物體間的相對位置決定的能量叫勢能，又稱位能。重力勢能：由于物體與地球的相對位置發(fā)生變化而具有的能量叫重力勢能。

(H為物體距地面的高度)彈性勢能：物體由于發(fā)生彈性形變所具有的能量叫彈性勢能。（K為彈性系數(shù)）五、人體運動中的功能關(guān)系—功能轉(zhuǎn)化原理功能原理：除重力、彈性力以外的力對研究對象所做的合功，等于研究對象機構(gòu)械能增量。其中機械能的增量包括動能、重力勢能和彈性勢能。功是能的表現(xiàn)，能是做功的本領(lǐng)，功能之間可以相互轉(zhuǎn)化。五、人體運動中的功能關(guān)系—功能轉(zhuǎn)化原理結(jié)論：力對物體做的功等于物體動能的增量。五、人體運動中的功能關(guān)系—能量守恒機械能守恒定律：如果系統(tǒng)所受內(nèi)外力（除重力和彈性力）都不做功或所做功的總和為零，或物體所受的合外力為零，即

，則這時系統(tǒng)的總機械能不變：在此情況下，系統(tǒng)的功能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化，但機械能的總量不變。五、人體運動中的功能關(guān)系—能量守恒在體育運動中，不存在嚴格的機械守恒，原因