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第五章人體運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué) 人體各環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 人體走 跑 跳等動(dòng)作是通過(guò)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的 在研究人體的轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題時(shí) 人體各個(gè)組成部分可自由移動(dòng) 形狀也可改變 為了研究人體運(yùn)動(dòng)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(dòng)中人體轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作的類型 1 轉(zhuǎn)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)動(dòng)的類型剛體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 剛體上的各點(diǎn)都做圓周運(yùn)動(dòng) 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(dòng)軸 如果轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置和方向相對(duì)于某一參照系是固定的 稱固定軸 繞固定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)叫定軸轉(zhuǎn)動(dòng) 如果轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置和方向相對(duì)某一參照系是變化的 稱動(dòng)軸 繞動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)叫動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng) 又叫瞬軸轉(zhuǎn)動(dòng) 2 人體轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸 實(shí)體軸當(dāng)人體繞固定在地面上的運(yùn)動(dòng)器械轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 器械就是人體轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)時(shí)所繞的位于人體內(nèi)部的某特定的直線 如通過(guò)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(gè)整體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 是通過(guò)人體總重心的三個(gè)相互垂直的軸 來(lái)判斷人體的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)作時(shí) 人體的基本軸的空間方位相對(duì)于人體是不改變的 3 人體轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作的基本形式 有支點(diǎn)有實(shí)體軸的轉(zhuǎn)動(dòng)人體整體繞固定在地面上的運(yùn)動(dòng)器械的轉(zhuǎn)動(dòng) 即為有支點(diǎn)有實(shí)體軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 如體操動(dòng)作中不脫離器械握點(diǎn)的擺動(dòng) 回環(huán) 類的動(dòng)作 人體的重心軌跡近似為一圓或一圓弧 有支點(diǎn)無(wú)實(shí)體軸的轉(zhuǎn)動(dòng)人體局部肢體或整體繞通過(guò)人體內(nèi)部的非實(shí)休軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 即為有支點(diǎn)無(wú)實(shí)體軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 如花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員冰上旋轉(zhuǎn) 投擲鐵餅 鏈球的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作以及籃球運(yùn)動(dòng)員的轉(zhuǎn)體動(dòng)作等 支點(diǎn)又可分固定和不固定的兩種 無(wú)支點(diǎn)無(wú)實(shí)體軸的空間單軸轉(zhuǎn)動(dòng) 無(wú)支點(diǎn)無(wú)實(shí)體軸的空中多軸向復(fù)合運(yùn)動(dòng) 無(wú)支點(diǎn)無(wú)實(shí)體軸的空間單軸轉(zhuǎn)動(dòng) 無(wú)支點(diǎn)無(wú)實(shí)體軸的空中多軸向復(fù)合運(yùn)動(dòng) 5 2轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué) R 轉(zhuǎn)動(dòng)剛體上各點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和線速度 例題講解 P123 5 3轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué) 1 形成人體轉(zhuǎn)動(dòng)的力學(xué)條件人體轉(zhuǎn)動(dòng) 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(dòng) 一種是人體整體繞人體基本運(yùn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 人體整體繞人體基本運(yùn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 從力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā) 轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)的內(nèi)容 合力矩的方向 在人體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)幾種情況 繞實(shí)體軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng) 對(duì)一個(gè)軸 兩個(gè)軸和三個(gè)軸的合外力矩分別不等于零 2 人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的概念 與平動(dòng)物體質(zhì)量的概念對(duì)應(yīng) 描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持原來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)能力的物理量 I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 m每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量 r為轉(zhuǎn)動(dòng)半徑 單位 Kg m2對(duì)一個(gè)物體來(lái)講 注意 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小必須指明是對(duì)哪個(gè)軸的 研究人體轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題時(shí) 必須通過(guò)測(cè)量來(lái)確定 通常將人體簡(jiǎn)化為規(guī)則體 模型 利用數(shù)學(xué)計(jì)算 正是人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的這種可變性 使人體可以根據(jù)不同的動(dòng)作目的 調(diào)整身體的姿勢(shì) 以改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)達(dá)到自我控制的目的 在體育運(yùn)動(dòng)中 利用人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的可變性 可以通過(guò)變換轉(zhuǎn)動(dòng)軸或通過(guò)改變身體姿勢(shì)來(lái)改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 以完成各種高難度動(dòng)作 平行軸定理剛體對(duì)O軸 任意軸 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等于剛體對(duì)通過(guò)其質(zhì)心軸 并且與O 任意軸 平行的I軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量 回轉(zhuǎn)半徑假如繞某轉(zhuǎn)動(dòng)軸的物體的全部質(zhì)量集中在離軸某一距離的點(diǎn)上 即用這個(gè)點(diǎn)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)距離為回轉(zhuǎn)半徑 即 人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的特點(diǎn)質(zhì)量分布不均勻人體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量每時(shí)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(shí)都在變化 尤其是運(yùn)動(dòng)時(shí) 人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)隨不同位置的轉(zhuǎn)軸和身體姿勢(shì)的改變而發(fā)生相應(yīng)的改變 必須進(jìn)行實(shí)際測(cè)量隨人體姿勢(shì)的變化而改變 影響人體轉(zhuǎn)動(dòng)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(shì) 動(dòng)作變化 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)動(dòng)作 1 轉(zhuǎn)動(dòng)定律 與牛頓第二定律對(duì)應(yīng) 所有轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)量與平動(dòng)力學(xué)量對(duì)應(yīng) 2 動(dòng)量矩定理 M t為沖量矩 它的意義是表示外力矩對(duì)物體轉(zhuǎn)動(dòng)的累積效應(yīng) I 為動(dòng)量矩 它是表示剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài) 不同時(shí)刻剛體動(dòng)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(shí)間越長(zhǎng) 剛體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的變化也越大 動(dòng)量矩定理的應(yīng)用 1 對(duì)人體局部肢體 環(huán)節(jié) 的運(yùn)動(dòng)人體的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都以骨杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)為基礎(chǔ) 而骨杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的變化 則是肌肉拉力矩的作用結(jié)果 在體育動(dòng)作中為增大環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)效果 通?？刹捎萌缦峦緩?1 增大肌力矩 增大肌肉對(duì)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(dòng)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(gè)原因 黑人運(yùn)動(dòng)員肌肉特點(diǎn) 2 減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 當(dāng)肌力矩一定時(shí) 減小環(huán)節(jié)或環(huán)節(jié)系對(duì)某軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 可以達(dá)到增大轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)時(shí) 通常采用參與轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 從而提高轉(zhuǎn)動(dòng)角速度或角加速度 例如 短跑運(yùn)動(dòng)員在擺腿時(shí) 通常需折疊大 小腿 以減小下肢對(duì)髖軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 從而快速前擺 而上肢也是在肩關(guān)節(jié)內(nèi)擺動(dòng) 采用屈前臂 以減小上肢對(duì)肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而快速擺動(dòng) 跑步動(dòng)作中大小腿的折疊 2 人體整體的運(yùn)動(dòng) 1 利用運(yùn)動(dòng)中身體某點(diǎn)的制動(dòng) 例如 跳躍的制動(dòng)踏跳 結(jié)果是人體繞制動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角位移 使人體獲得盡可能大的起跳速度的同時(shí) 獲得盡可能最佳的角度 從而跳得更高更遠(yuǎn) 跨欄起跨時(shí)的支撐腳制動(dòng)作用 投擲標(biāo)槍的左側(cè)制動(dòng) 2 增大偏心力矩的作用人體受偏心力作用時(shí) 將對(duì)質(zhì)心產(chǎn)生偏心力矩 此力矩將使人體產(chǎn)生對(duì)質(zhì)心的角加速度 例如在完成前空翻動(dòng)作時(shí) 地面對(duì)人體的支撐反作用力F通過(guò)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(dòng)量矩定理 在蹬地階段人體將獲得一定的動(dòng)量矩 并以此動(dòng)量矩進(jìn)入騰空 從而有利于完成前空翻動(dòng)作 F d 跳水起跳產(chǎn)生的偏心力矩 3 利用動(dòng)量矩的轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)過(guò)程中方向不斷變化 但對(duì)動(dòng)量矩的影響不大 人體整體在繞某軸或基本軸的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 往往還伴隨著部分環(huán)節(jié)繞基本軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 故此 人體可通過(guò)調(diào)節(jié)各環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式 以實(shí)現(xiàn)動(dòng)量矩在身體內(nèi)的傳遞和轉(zhuǎn)移 動(dòng)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(dòng) 從而使這些環(huán)節(jié)原以獲得的動(dòng)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(wú)支撐狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作 動(dòng)量矩守恒定律無(wú)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(gè)整體系統(tǒng) 那么它受到的合外力矩為0 其總動(dòng)量矩將保持不變 即為動(dòng)量矩守恒定律 動(dòng)量矩守恒定律的應(yīng)用 肢體的相向運(yùn)動(dòng)騰空狀態(tài)下 不計(jì)空氣阻力 人體一部分肢體以一定的動(dòng)量矩繞轉(zhuǎn)軸的某一方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 另一部分肢體就會(huì)以大小相等的動(dòng)量矩繞同一轉(zhuǎn)軸相反方向轉(zhuǎn)動(dòng) 這種現(xiàn)象稱為 相向運(yùn)動(dòng) 這時(shí)的動(dòng)量矩矢量和等于0 肢體的相向運(yùn)動(dòng)的實(shí)例 空中角速度的變化由于角動(dòng)量為常量 所有轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成反比 騰空后的團(tuán)身減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 加快轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 茹可夫轉(zhuǎn)椅實(shí)驗(yàn) 不同的團(tuán)身 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 對(duì)翻轉(zhuǎn)速度的影響 5 6轉(zhuǎn)動(dòng)作用在體育中的應(yīng)用 1 定向作用當(dāng)動(dòng)量矩等于一個(gè)恒量時(shí) 即動(dòng)量守恒 如果轉(zhuǎn)動(dòng)慣量保持不變 則角速度保持不變 因此 轉(zhuǎn)動(dòng)物體在不受外力矩作用時(shí) 具有保持其轉(zhuǎn)軸方向不變的特性 稱為轉(zhuǎn)動(dòng)體的定向作用 鐵餅和標(biāo)槍出手時(shí)器械的旋轉(zhuǎn) 2 彎曲作用 馬格努斯效應(yīng) 彎曲效應(yīng) 3 旋轉(zhuǎn)和反彈 摩擦力的作用增加了動(dòng)量矩 碰撞與反彈 P146例題作業(yè)P151 152 8 12 18 思考題 什么是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 決定人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小的因素有哪些 簡(jiǎn)述動(dòng)量守恒定律在體育動(dòng)作中的運(yùn)用 什么是 相向運(yùn)動(dòng) 其作用是什么 定向運(yùn)動(dòng) 的作用是什么