運動生物力學(xué)-人體運動的運動學(xué)

1、人體運動的運動學(xué),一、人體的簡化 人體極為復(fù)雜，而人體的運動更為復(fù)雜，因此必須有條件把人體簡化才能進(jìn)行研究，這樣便為分析人體動作提供方便。（一） 質(zhì)點(只有質(zhì)量而沒有形狀大小) 1．只涉及人體平動，不考慮人體轉(zhuǎn)動和變形，可簡化為質(zhì)點。 2．可把人體或器械的重心看做質(zhì)點

2、。,（二） 剛體(既考慮物體的質(zhì)量又考慮物體的形狀和大小) （三） 人體簡化為物理模型的實用性和局限性 將人體簡化為物理模型進(jìn)行力學(xué)研究，這對學(xué)習(xí)研究帶來很大方便，并且可以取得定量數(shù)據(jù)和資料進(jìn)行分析，可以幫助我們認(rèn)識一些問題和規(guī)律。然而復(fù)雜人體簡化為質(zhì)點或剛體后，所得到的數(shù)據(jù)與材料反饋到人體應(yīng)用時還存在著較大的差距，為此需建立實體模型。,二、實體模型的建立,人體是一個復(fù)雜的開放的巨系統(tǒng)。正確地反映出對人體運動時

3、起主要作用的力學(xué)因素，建立人體的實體模型，是運動生物力學(xué)研究的方向。同一個實際對象，在研究不同物理現(xiàn)象時，很可能用不同模型代替。 目前體育動作研究工作的第一步“各因素關(guān)系”，對某些動作在這方面研究已積累了一些材料，但很多動作還未進(jìn)行研究，故此建立人體實體模型將是一項艱巨的任務(wù)，我們在座的各位作為未來的體育工作者

4、應(yīng)朝著這個方向努力，在運動生物力學(xué)領(lǐng)域中有所建樹。,人體運動中的參照系與坐標(biāo)系,一、運動的絕對性和描述運動的相對性 （一）運動的絕對性 自然界一切物質(zhì)都是永恒地運動著、變化著，所有自然現(xiàn)象是物質(zhì)運動的各種形式。從這種意義上來說運動是絕對的。 （二）運動的相對性

5、 運動生物力學(xué)就是機械運動，即物體隨時間變化而導(dǎo)致空間的位移，是物質(zhì)運動最基本的形式。,二、參照系,參照系又稱參考系，是指描述人體是否運動時，所選定的作為參考標(biāo)準(zhǔn)的物體或物體群。根據(jù)研究問題的性質(zhì)和方法的不同，可分為兩類不同的參考系：（一）慣性參考系 慣性參考系是指以地球或相對于地球靜止不動的物體、或作勻速直線運動的物體作為參考系，通常又稱為靜參考系。,

6、（二） 非慣性參考系 非慣性參考系是指以相對于地球作變速運動的物體，或者說以相對慣性參考系做加速運動的物體作為參考系，通常又稱為動參考系。 如； 在研究短跑運動中的擺臂動作時，以人體重心作為參考系，看臂隨時間相對于人體重心的位置的改變。因為在完成體育動作時，人體軀干或身體重心的位置是不斷改變的，因此他們屬于非慣性參考系。,（三）慣性參

7、考系與非慣性參考系的缺點,雖然參考系能描述物體隨時間變化的位置的改變，但參考系只是定性地表明人體或器械是處于靜止或運動狀態(tài)，卻不能對物體或器械進(jìn)行定量的描述。因此必須引進(jìn)一個精確的描述物體運動位置變化的方法。,三、坐標(biāo)系,坐標(biāo)系是指設(shè)置在參考系上的數(shù)軸，是參考系的數(shù)學(xué)抽象。它在性質(zhì)上起著參考系的作用，而在數(shù)量上又能精確描述。它的三要素是：參照原點、參照方向、參照單位。,常用的坐標(biāo)系,（一） 一維坐標(biāo)系 （二） 二維坐標(biāo)系（又稱平面

8、坐標(biāo)系） （三） 三維坐標(biāo)（ 空間坐標(biāo)系 ）,四、 參考體的設(shè)置,1．描述整體運動原點在起點 2．環(huán)節(jié)相對重心的運動原點在重心 3．環(huán)節(jié)相對關(guān)節(jié)點的運動原點在關(guān)節(jié) 4．勻速直線運動的原點在起點或支撐點

9、 5．繞定點轉(zhuǎn)動的原點在定點,人體運動的分類和運動學(xué)特征,一、人體運動的分類 把人體簡化為質(zhì)點，可將人體運動分為直線運動和曲線運動；如把人體簡化為剛體，可將人體運動分為平動、轉(zhuǎn)動和復(fù)合運動。,變速直線運動：在任意相等時間內(nèi)通過的路程并不都相等。 勻變速直線運動：當(dāng)人體沿任意相等的時間內(nèi)，速度變化量都相等。自由落體的公式為：

10、 1．Vt=gt 2． H=1/2gt 3． Vt=2GH1/2 豎直上拋運動的公式： 1． t= V0/g； 2．H=V20/2g。,平動：人體內(nèi)任意兩點的連線，在運動過程中始終保持平行。例如，滑冰運動員凳冰后在直線上依慣性滑行，即為直線運動。 轉(zhuǎn)動：人體內(nèi)的各點都繞同一軸線（轉(zhuǎn)軸）作圓周運動。如投擲鐵餅的旋轉(zhuǎn)動作。

11、 復(fù)合運動：既有平動又有轉(zhuǎn)動的運動。如走、跑、滑冰、滑雪都是一種復(fù)合運動，在研究中通常將復(fù)合運動分解為平動和轉(zhuǎn)動兩部分分別進(jìn)行討論，然后加以綜合，以達(dá)到簡化的。,二、人體運動的運動學(xué)特征,（一）空間特征 空間特征是表明人

12、體在運動時的空間位置以及描述人體運動的范圍，包括路程和位移。路程是指人體從一個位置移到另一個位置時的實際運動路線的長度，它是一個標(biāo)量，只有大小，沒有方向。位移是指人體運動的起始點到終止點的直線距離，它是一個矢量，既有大小又有方向。,1、直線運動的位移和路程 在直線運動中，路程數(shù)值的大小等于位移數(shù)值的大小。例如，100m從起點跑到終點，其位移大小與路

13、程大小是相等的。,2、 曲線運動的路程和位移,在曲線運動中，位移數(shù)值的大小并不等于路程數(shù)值的大小，一般小于路程。例如從起點繞400m田徑場內(nèi)跑一圈，經(jīng)過的路程為400m，而位移則等于零。跑200m內(nèi)道時，路程為200m，位移則為112.13m。 按三角形法則或平行四邊形法則合成。,（二）時間特征,1．時刻 時刻是人體或器械

14、空間位置的時間量度，是時間上是一個點，它用于運動的開始、結(jié)束和運動過程中許多重要位相的瞬時。 例如,足蹬離起跑器時，表示蹬起跑器結(jié)束瞬時；跳高、跳遠(yuǎn)起跳時，表示足離地面的瞬時等。,2．時間,時間是運動結(jié)束時時刻與開始時刻之差值，運動持續(xù)時間是運動始末兩個時刻之間的時間間隔。 例如，擊打棒球、乒乓球時，雖然時間很短，但此時擊球的時間為Δt=t

15、1-t0,（三）時空特征,1．速度 速度是指人體所經(jīng)過的位移與通過這段位移所用時間之比，是描述人體運動快慢的物理量。在直線運動中為V=ΔS/Δt，在曲線運動中V=r2-r1/t2-t1=Δr/Δt。,2、速率,速率是指人體運動所經(jīng)過的路程與通過這段路程所用的時間之比，是描述人體運動快慢程度的物理量，只有大小，不表明方向。,三

16、、運動學(xué)量的特征,1．瞬時性 2．矢量性 3．相對性 4．獨立性,人體運動中速度變化的規(guī)律,

17、一、平均速度和瞬時速度 （一）平均速度 在變速直線運動中，人體的位移與這段位移所需時間之比，稱人體在這段時間內(nèi)（或這段位移）的平均速度。（二）瞬時速度

18、 人體在某一時刻或通過運動軌跡某一點時的人體在這一時刻或這個點的瞬時速度。,二、 平均加速度和瞬時加速度,（一）平均加速度 人體運動的速度變化量與這種變化所用的時間之比稱加速度。即a=ΔV/Δt。 （二）

19、瞬時加速度 瞬時加速度是小指人體運動在某一時刻或某一位置的加速度，當(dāng)Δt趨于零（Δt不等于零）的極限值，人體的平均加速動即為瞬時加速度加速度。,（三）曲線運動中的瞬時加速度,1．法向加速度（向心加速度） 人體作

20、勻速圓周運動時沿切線方向的加速度，其公式為a=V2/R. 2．變速圓周運動中的法向加速度和切向加速度 變速圓周運動是指物體運動不斷變化的圓周運動。A=at+an。,三、速度的合成與分解,（一）運動的獨立性原理 人體或物體同時參與幾個運動(分運動)，則每一個運動不受其他分運動的影響，人體或物體的運

21、動是由各個彼此獨立進(jìn)行的運動疊加原理。,（二）絕對速度、相對速度和牽連速度,（1） 絕對速度：研究對象相對于靜參考系的速度稱絕對速度（Va）。 (2) 相對速度：研究對象相對于動參考系的速度稱相對速度（Ve） (3)牽連速度：動參考系原點相對于靜參考系的速度稱牽連速度（VT） 其三者的關(guān)系是Va=Ve+ VT。（舉例說明）,運動學(xué)參數(shù)的采集,運動學(xué)參數(shù)包括位移、角位移、速度、角速度、加速度、角加速度等。主要測量方法有：平面

22、定點定機攝影法、平面定點跟蹤攝影法、平面定軌跟蹤攝影法、立體定點定機攝影法、立體定點定跟蹤攝影法等。,攝影方法,1、攝像機的選擇 拍攝頻率：單位時間內(nèi)所拍攝的畫面數(shù)稱拍攝頻率。,2、拍攝方法,1、根據(jù)項目特征和技術(shù)分析要求確定拍攝范圍；2、把攝像機固定在三角架上，對攝像機的拍攝距離、機高、取景范圍、焦距等按要求選用合適并固定；3、拍攝比例尺；4、拍攝所選定的運動動作，并做好記錄。,平面拍攝注意事項,1、攝像機主光軸

23、應(yīng)與運動平面垂直，對準(zhǔn)拍攝區(qū)域的中心。2、攝像機盡可能遠(yuǎn)離運動平面，通常拍攝距離應(yīng)為拍攝范圍的5-6倍。3、背景顏色應(yīng)與人體顏色有較大的反差，使圖像較清晰。4、正確確定拍攝速度。5、正式拍攝前，需拍攝比例尺。6、拍攝時要做好備忘錄，如運動員參數(shù)、成績、比例尺長度、拍攝距離、機高等。,2、圖像解析與數(shù)據(jù)處理,一、圖像解析1、將拍攝在錄像帶上的圖像轉(zhuǎn)換為計算機可讀的數(shù)字化圖像文件。2、解析比例尺確定圖形尺寸與實際尺寸之間的比例

24、系數(shù)。3、利用圖像解析軟件確定人體各關(guān)節(jié)點的像空間坐標(biāo)。4、將人體各關(guān)節(jié)點的像空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為真實空間中的坐標(biāo)以及建立原始數(shù)據(jù)文件。二、數(shù)據(jù)處理1、數(shù)據(jù)平滑2、數(shù)據(jù)分析,（三）速度的合成,由已知兩個或幾個分運動的速度（分運動）求合運動的速度（合速度），稱求速度的合成。,根據(jù)兩個運動速度方向之間的夾角不同，有以下幾種情況,第一、 當(dāng)兩個運動速度方向一致而且平行時，則合速度為：V=v1+v2第二、當(dāng)兩個運動速度方向互成直角時，則合

25、速度大小為V=(V21+V22)1/2 第三、當(dāng)兩個運動速度方向不成直角，而成銳角θ，則合速度為V=(V21+V22+2V1V2cosθ)1/2。,（四）速度的分解,由已知合速度求兩個（或幾個）分速度，稱為速度的分解。速度分解也是按平行四邊形法則進(jìn)行，即以合速度為對角線畫平行四邊形，求出分速度。,（五）合成運動中的合加速度,在任一瞬時，運動物體的絕對加速度（aa）等于運動物體牽連加速度（ae）與相對加速度（at）的矢量和。在運動為平動

26、時的加速度合成定理：aa= ae+at 當(dāng)牽連速度不是平動時的加速度合成時其絕對加速度表達(dá)式為： aa= ae+at+ac(ac為科里奧利加速度。)。,人體轉(zhuǎn)動運動,一、角位移

27、 對人體而言，人體各點的半徑在相同的時間內(nèi)轉(zhuǎn)過相同的角度。它是標(biāo)量 。,二、角速度與角加速度,（一）角速度 角速度是指人體在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度，用ω表示。平均角速度僅僅表示一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)動的快慢和轉(zhuǎn)向。 （二）角加速度

28、 角加速度用以表示物體轉(zhuǎn)動時角速度變化的快慢和指向，是轉(zhuǎn)動中角速度的時間變化率。轉(zhuǎn)動物體在某一時刻t1角速度為ω1，在時刻t2，角速度為ω2，在Δt時間內(nèi)，角速度的變化為Δω， 則β=ω2-ω1/ t2- t1,三、角速度、轉(zhuǎn)動半徑與線速度的關(guān)系,1、線速度 人體繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，人體某一點的速度。如：人體繞單杠轉(zhuǎn)動時，人體重心的運動速度

29、即為線速度。其公式為V=ωR. 2、角速度是從整體上描述轉(zhuǎn)動物體轉(zhuǎn)動的快慢，而用線速度則具體考察轉(zhuǎn)動物體上某點的轉(zhuǎn)動快慢。,在運動實踐中，可以通過提高肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角速度和伸直整個上肢以加大轉(zhuǎn)動半徑的方法來提高轉(zhuǎn)動環(huán)節(jié)遠(yuǎn)端（手）的線速度。例如，排球扣球動作，先是屈臂在肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動以提高角速度ω1，在扣球前，肘關(guān)節(jié)伸直，提高肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角速度ω2，同時又增長了以肩關(guān)節(jié)為軸的轉(zhuǎn)動半徑，提高手運動的線速度，擊球迅速（時間短），則擊球所受之力

30、極大。,四、角位移、弧長和肌拉力角的關(guān)系,1．肌拉力角小，反映了該肌肉在收縮前被拉長，提高了肌肉的興奮性，使肌肉收縮時增大了肌肉的收縮力。 2．肌力提高有利于肌力矩加大，促進(jìn)角速度、角加速度的增大。 3．轉(zhuǎn)動物體角速度、角加速度的增大，又能增大轉(zhuǎn)動物體遠(yuǎn)端的線速度。,體育運動中的拋體運動,一、平拋運動與斜拋運動 平拋運動：若將桌面的小球水平地?fù)舫?，小球離開桌面以后將沿曲線運動.。

31、 斜拋運動：可以看作是物體由于慣性斜向上（下）方向做勻速直線運動和豎直方向做自由落體運動的合成。,二、影響拋射體遠(yuǎn)度的運動學(xué)因素,由公式s=v022sin2α/g可看出，影響拋射體遠(yuǎn)度的因素有： 1．V0是起跳離地瞬間人體重心的初速度。

32、 2．α是起跳離地瞬間人體重心的初速度與水平面的夾角。 3． H是起跳離地瞬間人體重心與地面的垂直距離（與人體的身高、動作技術(shù)結(jié)構(gòu)有關(guān)）。 4．最適合的起跳角度是18-23度、鉛球的出手角度為38-42度。,三、影響拋射高度的運動學(xué)因素,其公式為H=v20sin2a/2g

33、 1．V0起跳離地瞬間人體重心的初速度。 2.α起跳離地瞬間人體重心的初速度與水平面的夾角。 3.H起跳離地瞬間人體重心與地面的垂直距離（與人體的身高、動作技術(shù)結(jié)構(gòu)有關(guān)）。,四、拋點與落點在同一水平面上的斜拋運動 五、拋點與落點不在同一水平面上的斜拋運動