運(yùn)動生物力學(xué)多媒體教學(xué)5（第五章）.ppt

1、第五章 人體運(yùn)動的轉(zhuǎn)動力學(xué),人體各環(huán)節(jié)的運(yùn)動都是繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動。人體走、跑、跳等動作是通過環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)的。 在研究人體的轉(zhuǎn)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(yùn)動的規(guī)律性，必須在一定條件下將人體當(dāng)作剛體處理。,5.1體育運(yùn)動中人體轉(zhuǎn)動動作的類型,1、轉(zhuǎn)動軸與轉(zhuǎn)動的類型 剛體轉(zhuǎn)動時，剛體上的各點(diǎn)都做圓周運(yùn)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(zhuǎn)動軸。,如果轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動叫定軸轉(zhuǎn)動。 如果轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動叫動軸轉(zhuǎn)動，又叫瞬軸轉(zhuǎn)動。,2、人體

2、轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動軸, 實(shí)體軸 當(dāng)人體繞固定在地面上的運(yùn)動器械轉(zhuǎn)動時，器械就是人體轉(zhuǎn)動的實(shí)體軸。 非實(shí)體軸 非實(shí)體軸是人體局部肢體或整體轉(zhuǎn)動時所繞的位于人體內(nèi)部的某特定的直線。如通過關(guān)節(jié)中心點(diǎn)的關(guān)節(jié)軸以及人體的基本軸。,當(dāng)人體作為一個整體發(fā)生轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動情況的。以人的總重心為原點(diǎn)建立的三維直角坐標(biāo)系的三條軸線，即為人體的基本軸。人體在完成空翻轉(zhuǎn)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。,3、人體轉(zhuǎn)動動作的基本形式, 有支點(diǎn)有實(shí)體軸的轉(zhuǎn)動 人體整體繞固定在地面上的運(yùn)動器械的轉(zhuǎn)動，即為有支點(diǎn)有實(shí)體軸的轉(zhuǎn)動。如體操動作中不脫離器械握點(diǎn)的擺動、回環(huán)

3、；類的動作。人體的重心軌跡近似為一圓或一圓弧。 有支點(diǎn)無實(shí)體軸的轉(zhuǎn)動 人體局部肢體或整體繞通過人體內(nèi)部的非實(shí)休軸的轉(zhuǎn)動，即為有支點(diǎn)無實(shí)體軸的轉(zhuǎn)動。如花樣滑冰運(yùn)動員冰上旋轉(zhuǎn)、投擲鐵餅、鏈球的旋轉(zhuǎn)動作以及籃球運(yùn)動員的轉(zhuǎn)體動作等。支點(diǎn)又可分固定和不固定的兩種。 無支點(diǎn)無實(shí)體軸的空間單軸轉(zhuǎn)動 無支點(diǎn)無實(shí)體軸的空中多軸向復(fù)合運(yùn)動,無支點(diǎn)無實(shí)體軸的空間單軸轉(zhuǎn)動,無支點(diǎn)無實(shí)體軸的空中多軸向復(fù)合運(yùn)動,5.2轉(zhuǎn)動運(yùn)動學(xué),R,轉(zhuǎn)動剛體上各點(diǎn)的轉(zhuǎn)動角速度和線速度,例題講解:P123,5.3 轉(zhuǎn)動動力學(xué),1. 形成人體轉(zhuǎn)動的力學(xué)條件 人體轉(zhuǎn)動，一種是人體局部肢體在肌肉力的作用下，牽引骨骼繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動，一種是人體整體

4、繞人體基本運(yùn)動軸的轉(zhuǎn)動。,繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動,人體整體繞人體基本運(yùn)動軸的轉(zhuǎn)動,從力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，轉(zhuǎn)動的產(chǎn)生必須保證合外力矩不為零。 合外力矩的概念（在靜力學(xué)中結(jié)束過的內(nèi)容） 合力矩的方向*,在人體轉(zhuǎn)動時幾種情況： 繞實(shí)體軸的轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動力矩不等于零，阻力（包括重力矩）與肌肉力矩。 人體整體轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量 轉(zhuǎn)動慣量的概念（與平動物體質(zhì)量的概念對應(yīng)） 描述物體轉(zhuǎn)動時保持原來轉(zhuǎn)動狀態(tài)能力的物理量。 I為轉(zhuǎn)動慣量，m每個質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，r為轉(zhuǎn)動半徑，單位：Kgm2 對一個物體來講： 注意：轉(zhuǎn)動慣

5、量大小必須指明是對哪個軸的。,研究人體轉(zhuǎn)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(xué)計算。,正是人體轉(zhuǎn)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(diào)整身體的姿勢，以改變轉(zhuǎn)動慣量來達(dá)到自我控制的目的。在體育運(yùn)動中，利用人體轉(zhuǎn)動慣量的可變性，可以通過變換轉(zhuǎn)動軸或通過改變身體姿勢來改變轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量等于剛體對通過其質(zhì)心軸，并且與O（任意軸）平行的I軸的轉(zhuǎn)動慣量，加上剛體的質(zhì)量與兩平行軸之間的距離平方的乘積。,大腿繞髖關(guān)節(jié)額狀軸的轉(zhuǎn)動慣量, 回轉(zhuǎn)半徑 假如繞某轉(zhuǎn)動軸的物體的全部質(zhì)量集中在離軸某一距離的點(diǎn)上

6、，即用這個點(diǎn)代表整個物體的質(zhì)量，這時它的轉(zhuǎn)動慣量如果恰好與原物體相對此軸的轉(zhuǎn)動慣量相等，則稱這個距離為回轉(zhuǎn)半徑。即：,人體轉(zhuǎn)動慣量的特點(diǎn) 質(zhì)量分布不均勻 人體的轉(zhuǎn)動慣量每時每刻都在變化，因?yàn)槿梭w質(zhì)量分布因血液循環(huán)、呼吸的影響隨時都在變化，尤其是運(yùn)動時，人體轉(zhuǎn)動慣量會隨不同位置的轉(zhuǎn)軸和身體姿勢的改變而發(fā)生相應(yīng)的改變。 必須進(jìn)行實(shí)際測量 隨人體姿勢的變化而改變,影響人體轉(zhuǎn)動慣量的因素： 人體的質(zhì)量 身體形態(tài)（身高和胸圍等等） 身體姿勢（動作變化） 轉(zhuǎn)動軸的位置,轉(zhuǎn)動慣量的變化對轉(zhuǎn)動角速度的影響,作業(yè)：P151：1,3,4,5,9,5.4支撐狀態(tài)下的人體轉(zhuǎn)動動作,1. 轉(zhuǎn)動定律（與牛頓第二定律對應(yīng)）

7、,所有轉(zhuǎn)動力學(xué)量與平動力學(xué)量對應(yīng),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(zhuǎn)動的累積效應(yīng)。 I為動量矩，它是表示剛體的轉(zhuǎn)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(jié)果。外力矩越大，作用時間越長，剛體轉(zhuǎn)動狀態(tài)的變化也越大。,動量矩定理的應(yīng)用,1. 對人體局部肢體(環(huán)節(jié))的運(yùn)動 人體的各種運(yùn)動狀態(tài)都以骨杠桿的轉(zhuǎn)動為基礎(chǔ)，而骨杠桿的轉(zhuǎn)動狀態(tài)的變化，則是肌肉拉力矩的作用結(jié)果。在體育動作中為增大環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動效果，通?？刹捎萌缦峦緩剑?（1）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(yīng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)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

8、力臂。肌力隨肌肉是收縮而變化，肌力臂隨肌拉力角而變化。故臀部肌肉強(qiáng)壯的黑人善于跳躍就是這個原因。,黑人運(yùn)動員肌肉特點(diǎn),（2）減小轉(zhuǎn)動慣量,當(dāng)肌力矩一定時，減小環(huán)節(jié)或環(huán)節(jié)系對某軸的轉(zhuǎn)動慣量，可以達(dá)到增大轉(zhuǎn)動角速度或角加速度的目的。故此，在環(huán)節(jié)繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動時，通常采用參與轉(zhuǎn)動的環(huán)節(jié)或環(huán)節(jié)系的質(zhì)量盡可能靠近轉(zhuǎn)軸的方法。以減小它們對轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量，從而提高轉(zhuǎn)動角速度或角加速度。,例如； 短跑運(yùn)動員在擺腿時，通常需折疊大，小腿，以減小下肢對髖軸的轉(zhuǎn)動慣量，從而快速前擺。而上肢也是在肩關(guān)節(jié)內(nèi)擺動，采用屈前臂，以減小上肢對肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)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(yùn)動,（1） 利用

9、運(yùn)動中身體某點(diǎn)的制動： 例如，跳躍的制動踏跳，結(jié)果是人體繞制動點(diǎn)轉(zhuǎn)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(yuǎn)。,跨欄起跨時的支撐腳制動作用,投擲標(biāo)槍的左側(cè)制動,（2） 增大偏心力矩的作用 人體受偏心力作用時，將對質(zhì)心產(chǎn)生偏心力矩，此力矩將使人體產(chǎn)生對質(zhì)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(jìn)入騰空，從而有利于完成前空翻動作。,F,d,跳水起跳產(chǎn)生的偏心力矩,（3） 利用動量矩的轉(zhuǎn)移 運(yùn)動過程中方

10、向不斷變化，但對動量矩的影響不大。人體整體在繞某軸或基本軸的轉(zhuǎn)動時，往往還伴隨著部分環(huán)節(jié)繞基本軸的轉(zhuǎn)動，故此，人體可通過調(diào)節(jié)各環(huán)節(jié)的運(yùn)動形式，以實(shí)現(xiàn)動量矩在身體內(nèi)的傳遞和轉(zhuǎn)移。動量矩在身體內(nèi)的傳遞和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移。,如圖：投擲的上肢用力,1,2,5.5人體無支撐狀態(tài)下的轉(zhuǎn)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(yīng)用 肢體的相向運(yùn)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(zhuǎn)軸的某一方向轉(zhuǎn)動時，另一部分肢體就會以大小相等的動量矩繞同一轉(zhuǎn)軸相反方向轉(zhuǎn)動，這種現(xiàn)象稱為“相向運(yùn)動”。這時的動量矩矢量和等于0。,肢體的相向運(yùn)動的實(shí)例,空中角速度的變化 由于角動量為常量,所有轉(zhuǎn)動的角速度與轉(zhuǎn)動慣量成反比. 騰空后的團(tuán)身減小轉(zhuǎn)動慣量,加快轉(zhuǎn)動的角速度.,茹可夫轉(zhuǎn)椅實(shí)驗(yàn),不同的團(tuán)身(轉(zhuǎn)動慣量)對翻轉(zhuǎn)速度的影響,5.6轉(zhuǎn)動作用在體育中的應(yīng)用,1. 定向作用 當(dāng)動量矩等于一個恒量時，即動量守恒。如果轉(zhuǎn)動慣量保持不變,則角速度保持不變。因此，轉(zhuǎn)動物體在不受外力矩作用時，具有保持其轉(zhuǎn)軸方向不變的特性，稱為轉(zhuǎn)動體的定向作用。,鐵餅和標(biāo)