第四章 运动生物力学原理36
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第四章 运动生物力学原理36
第四章运动生物力学原理；第一节冲击动作的生物力学原理（李世明）；一、动作形式；在很多体育项目中存在碰撞现象，例如扣、踢以及拳击；撞动作中，运动链系统的远端环节（如踢球的脚，击球；根据相互冲击的对象类型不同，可将体育运动中的冲击；体对器械的冲击、人体对人体的冲击、人体对外界环境；（一）人体对器械的冲击；人体对器械的冲击主要包括排球运动中的扣球、发球和；乓球、棒
第四章 运动生物力学原理第一节 冲击动作的生物力学原理（李世明）一、动作形式在很多体育项目中存在碰撞现象，例如扣、踢以及拳击等动作都有碰撞现象。在这些碰撞动作中，运动链系统的远端环节（如踢球的脚，击球的手或器械等）尽量快地打击球或其它物体。在体育动作中，通过扣、踢等击打方式使人体四肢动量向运动器械实现转移的动作形式，我们可称之为冲击动作。根据相互冲击的对象类型不同，可将体育运动中的冲击动作主要分为以下几种形式：人体对器械的冲击、人体对人体的冲击、人体对外界环境的冲击、器械对器械的冲击、器械对人体的冲击、器械对外界环境的冲击等。在这些冲击形式中，尽管有的形式人体不直接参与碰撞，如器械对外界环境的冲击，但是，这种形式仍然需要人使器械产生运动才能发生碰撞现象，如网球与地面的碰撞。这说明，无论是何种冲击形式，都需要人的参与，人的运动状态是不容忽视的。（一） 人体对器械的冲击人体对器械的冲击主要包括排球运动中的扣球、发球和垫球，足球中的踢球、顶球，乒乓球、棒球、冰球、网球等的击球动作，表现形式为人体与器械之间的碰撞。体育动作中的绝大部分冲击性动作不仅仅是要使得人体环节动量有效完成传递，使器械获得较大的动量，还要求对器械击打的准确性、有效性。如网球中的击球、乒乓球中的扣球、羽毛球中的扣球以及排球中的扣球等都对运动中击打球的准确性有着很高的要求，因此，击打效果主要包括击打速度与击打准确性。如在排球扣球过程中，运动员的身体各环节的协调运动是高水平扣球的组成部分，而水平较低运动员的扣球是不协调的，在其环节的顺序活动中会存在许多重复动作，导致最终的打击球效果降低。在排球技术中，由于球和前臂的接触时间较短，因此排球接发球也属于击球动作，但排球接发球，特别是排球接球并不是为了使球获得较大速度，而是为了获得更高的准确性，因此，技术因素在其中显得颇为重要。一般认为在接发球中前臂成功触球与下列三个因素有关（Marryatt & Holt, 1982）：1．触球时，手臂肘关节的角度越大（≈180°），接发球越成功。2．触球时，左右臂的夹角越小（有效击球平面），接发球越成功。3．在触球过程中，两肘关节中点轨迹与球反弹的轨迹间的差异越小，接发球越成功。 同排球扣球一样，在足球踢球运动中，运动员踢球效果也不仅仅表现在踢球的速度上，同等重要的还有踢球的准确性。在摆动腿前摆早期，大腿加速前摆的同时膝关节尽可能的靠近大腿，减少下肢的转动惯量，增加前摆速度，然后再通过伸小腿的方式加大转动半径，提高末端环节脚的线速度，从而提高脚踢
球的效果。有时为了踢出精准弧线球还要小关节（踝关节内旋发力）的密切配合，这都是提高准确击打球的重要因素所在。人体对器械的冲击还存在另外一类，诸如体操中的一些推撑动作（如跳马）。在这些项目中，对碰撞之前的动作不象排球的击球动作一样要求较高，仅仅对运动员的助跑速度要求较高，根据动量定理可知，运动员在推撑过程中应该迅速有力，否则会因为运动员接触器械时间较长而减少了对人体的冲力，从而损失了水平速度，影响到动作的质量或完成。（二）人体对人体的冲击人体对人体的冲击现象主要出现在拳击、散手等格斗对抗项群中，它们的碰撞条件都比较特殊。运动员都是手戴拳击手套击打人体，这里主要讨论碰撞期间力的传递。现在对拳击的研究表明(Smith & Hamill,1985a)，技术水平对碰撞前0.01s的拳速（11.5m/s左右）无影响，但在相同拳速下，高水平运动员比中等水平和低水平运动员传递给拳击袋的动量更大，因此，技术水平对击打效果存在重要影响。事实上，戴拳击手套比教练们反对的赤手空拳传递的动量大。由于拳击套的缓冲作用能减小碰撞时的疼痛，因而使拳击手出拳更加有力。研究表明，当784N的力在约8ms的时间内作用于头时，足以引起脑震荡(Hodgson & Thomas, 1981)，因此不能认为戴拳击手套就是安全的。史密斯和哈密尔的深入研究表明(Smith & Hamill,1985b)，直到第50次击打，戴拳击手套的最大碰撞力仍然是赤手空拳的近两倍（前者2913N，后者1484N）。此外，不同的出拳方式拳速不同，直拳约6m/s，勾拳约8m/s，因此，最后形成的冲击效果也不同。目前，拳击运动中的拳速和碰撞时间以及碰撞次数已经引起了人们对碰撞损伤的广泛关注。（三）人体对外界环境的冲击人体对外界环境的冲击主要是指人体四肢与地面的碰撞，如体操中的翻踺子、前手翻等属于上肢与地面的碰撞，体操中的落地动作、跳高、跳远的踏跳动作等项目则属于下肢与地面的碰撞。在这个碰撞过程中，人体的主动冲击是为了利用外界环境对人体的反作用力。人体为了减小外界环境对人体的冲击（如体操中的落地动作）或者是为后续的蹬伸动作提供空间和时间的准备（如跳跃项目中的踏跳动作），往往采用缓冲动作（关于缓冲动作的原理将在以后作专门讲述）。（四）器械对器械的冲击体育动作中器械对器械的冲击，前者是指运动员所持的拍或棒等打击器械，后者是球类等被打击器械。网球、棒球、曲棍球、高尔夫球等项目的击球均属于此类。在运动员进行手持器械进行打击的项目中，虽然最后打击形式是器械间的碰撞，但运动员手持的器械的运动轨迹、运动状态则是由人体控制的，因此最后打击球的效果实际上取决于人体的运动状态。在运动员进行手持器械的打击性运动项目中，多数项目的挥拍、棒等动作形式属于鞭打动作。下面以网球击球为例，对人体运动状态与最后冲击效果间的关系进行说明。在网球的击球过程中，躯干的转动和下肢的伸展，使球拍向前运动，同时是“击球肩”速度的主要动力。躯干的有力转动对击打手臂的滞后运动极其重要，这样在前摆早期可拉长肩部肌肉，为后续的向心收缩奠定良好的基础。躯干连续向前转动，使肩持续获得向前的加速度，研究发现在击球时肩向前的速度约2m/s，肩的速度对向前和向上击球速度的贡献约为15%（Elliott et al. 1997）。上臂的向前运动是正手击球的主要力学特征，它产生向前速度的20%～30%，向上速度的20%，这与采用的握拍方式有很大关系。在前摆过程中，肘关节的角度保持相对恒定（≈100°），因此，肘关节对击球速度不产生作用。在后摆完成后，上臂的旋外在击球前转变成旋内，这种转动在优秀运动员正手击球中非常明显，这也是获得较高击球速度的重要部分。现已证实，上臂旋内的肌肉，在击球前和击球时收缩积极有力，在击球时，肩关节具有较高的内旋力矩。腕关节的向前和向上屈曲尽管属于小关节的运动，但在击球的速度中同样起着重要的作用。在网球击球过程中，从持拍后摆到前摆，再到最后击球，整个环节链保持一定的活动顺序性特征，每个环节都有其本身的活动特征，而击球前环节的活动特征正是保证具有良好击球效果的重要原因所在。由上述分析可以看出，在此类冲击动作中，尽管表现为器械与器械之间的碰撞，但事实上是人体的运动状态对冲击效果其主要作用。当然，由于最后的碰撞是器械间的碰撞，因此器械设计、材料等也是影响最后碰撞效果的重要因素之一。如足球鞋应该穿着舒服、提供保护，并有利于踢球。网球在运动员已经掌握技术的前提下，可以随力量的增大而加长网球拍长度，以提高网球击打过程中的转动惯量。棒球运动员在训练过程中可以结合不同质量的球棒进行训练，以提高摆动速度，当然也可以作为其他冲击项目的辅助训练方法。总之，除了人体运动状态对冲击效果具有重要的影响外，运动器械本身对于冲击类项目的运动成绩也有重要的影响。（五）器械对人体的冲击在各种球类运动中的许多动作属于器械对人体的冲击性动作，如篮球中接高速来球、足球中的停球等。为了减小来球对人体的冲力，这些动作都需要尽量延长力的作用时间。由动量定理可知，如果动量的变化量是一个常量，即冲量值也应是一个常量。这时延长作用时间，就可以减小冲力的大小。如篮球中的接高速来球，当手接球的同时屈肘回收，顺势接球，可延长手与球的作用时间，从而减小球对手的冲力作用。再如，足球中的停球动作常采用迎撤动作，以接球部位前迎来球，触球刹那向回引撤以缓冲来球的力量，这同样延长了人体与器械之间的作用时间。（六）器械对外界环境的冲击器械与外界环境的碰撞主要指器械与地面的碰撞，如网球、足球各种球类与地面的碰撞。器械与外界环境的碰撞完全是一种机械运动，但器械以何种速度、方向、地点与外界环境进行碰撞还需要人的活动来决定。 二、力学原理牛顿第二定律阐明了力、质量和加速度的瞬时关系。但是在体育活动中发现，物体运动状态与其质量、速度和力的作用时间有很大关系，因此需要引入新的概念，即动量和冲量。（一）动量运动中出现的碰撞、打击、踢等现象普遍存在，常常涉及人或器械在碰撞打击前后运动量的变化情况，因此有必要对物体的机械运动量作定量描述。动量就是用以描述物体在一定运动状态下所具有的“运动量”，如足球守门员要接住速度慢的足球要比接住速度快的足球容易，若要停住同样速度的铅球和足球，前者难于后者，这说明物体的动量与物体的速度和质量有关。力学上定义物体的质量和速度的乘积为动量，即物体运动量的量度。K?mV
（1）动量是矢量，其方向为速度的方向。其国际单位制单位为kg?m/s。在碰撞问题中，物体动量的变化反映了物体对其它物体产生的机械效果，在由相互作用而引起的机械运动传递中物体间交换的是动量。（二）冲量力的冲量与动量密切相关，以力和力的作用时间来量度。牛顿第二定律只是反映了物体受力和运动状态变化的瞬时关系，而不能说明在受到外力连续作用的过程中物体运动状态的改变。事实上，无论是物体的运动，还是人体的运动，都是外力连续作用的结果。所以，必须研究力在一定时间内对物体的连续作用所产生的累积效应。即外力使物体动量发生变化的大小，由力和力的作用时间所决定。在力学中，将作用于物体上的外力与外力的作用时间的乘积定义为力的冲量，即：I?F??t
（2）冲量也是矢量，其方向与力的方向相同，其国际单位制的单位为N?s。在实际研究中，通常测出的是力随时间的变化曲线。如果力是一个恒力，在F-t关系图上表现为一水平线段。根据冲量定义就恰为这条水平线段下所围成的矩形面积的大小，如图1所示。如果力是随时间变化的（变力），在F-t关系图上力表现为一条曲线。冲量的大小等于曲线和横坐标所围成的面积，如图2所示。 图2 变力的冲量 图1 恒力的冲量（三）动量定理动量定理是描述物体机械运动状态变化规律的基本定理之一。物体在运动过程中，在某段时间内动量的改变△k等于所受合外力在这段时间内的冲量。动量定理可由牛顿第二定律推导出来。假设质量为m的物体，受到恒力F的作用，其加速度a也是恒定不变的，在t1时刻的速度为V1，在t2时刻的速度为V2，则有：（3） V2?V1 F?ma?m21?mV即
F(t2?t1)?mV21
（4） t?t在动力学问题研究中，通常人们关心的是力的累积效应，而并非力的瞬时效应。如推铅球的最后用力阶段，运动技术的核心是运动员在最后用力阶段，使铅球的动量改变了多少、铅球最后出手速度多大，而不是瞬时力值和瞬时加速度。如果一个外力持续作用于某物体，由牛顿第二定律可以求得每一瞬时物体所产生的加速度，但无法求出动量的变化量。根据动量定理，物体的动量变化量只取决于其所受到的冲量，而无须探究构成冲量的外力变化过程。动量定理只涉及运动始、末两个状态的动量变化，无须考虑运动过程中受力状况的变化细节，从而使问题的求解大大简化。两个不等的外力，可能它们的变化情况不同，但只要它们和作用时间的乘积等效（即大小和方向都一样），则物体动量的变化量也将等效。因此，可以用某个恒力取代另一个变力的作用，只要这个恒力在相等的时间内累积的冲量与变力的冲量等效，这样的恒力通常称为变力的平均冲力。必须指出，动量定理是矢量式，冲量的方向即动量增量的方向，可以建立动量定理在笛卡尔坐标系中的分量式；另外，应该明确动量定理并非独立的力学定律，它只是牛顿第二定律的积分形式。因此，在经典力学范围内，凡是能用动量定理求解的问题，原则上都可用牛顿定律解决。动量定理在碰撞、冲击等问题中有重要的意义。由于瞬时作用的冲力很难确定，所以这时的牛顿第二定律无法直接应用。但可根据动量定理测定物体在碰撞或冲击前后动量的改变量，来确定冲力的冲量大小，并根据作用时间的长短，计算出冲力的平均数值。例1：重50kg的运动员，从3m高处自由下落，脚接触地面0.1s后静止，求人体受到的冲击力多大？分析：设身体重心竖直下落3m，落地瞬间人体速度为V?2gh，落地支撑0.1s后人体静止，速度Vt?0。在支撑阶段，人体受到重力W（竖直向下）和平均冲力F（竖直向上）的作用。取竖直向上为正，根据动量定理：(F?W)?t?0?(?m2gh)得：
F?m2gh?W?4324(N) ?t即： 支撑阶段人体受到的平均冲力约为4324N。例2：质量为0.3kg的棒球，以10m/s的速度飞行，被运动员棒击后以15m/s的速度反向运动，若棒击时间为0.01s，求棒球所受到的打击力？分析：设棒球所受到的平均打击力为F，并设F的方向为正方向，则V1为负、V2为正。根据动量定理：
F?t?mV2?mV1 即
F?m(V2?V1) ?t代入已知数据可得：F?750N，即棒球受到的打击力达750牛顿。（四）动量守恒定律及其应用1. 动量守恒定律若系统不受外力或外力的矢量和为零，则系统的总动量保持不变，即K??mV?恒量
（5）系统的总动量不变，而系统内物体在相互作用过程中，系统内每个物体的动量各自改变着，系统内各物体的动量的变化，一定是某些物体的动量增加量等于另一些物体的动量减小量，而系统的总动量保持不变。系统内各物体的相互作用力只能使动量在系统内各物体间传递或转移。若要改变系统总动量，必然系统要受到外力的作用。实际上不受外力作用的系统是不存在的，只要在假定的时间内系统所受的外力远小于系统的内力，则仍可近似地应用动量守恒定律。在体育运动中如将人体作为一个系统，动量可以在体内由一个环节向另一个环节传递，如将人体与外界某器械作为一个系统，则人体与外界的动量可以互相传递且总动量保持不变。系统的相互作用力只能使动量在各物体间传递和转移。2. 碰撞定律体育运动中存在大量的碰撞现象，尽管碰撞的力学机理非常复杂，但是体育运动中有不少问题，仍可以认为相碰撞的物体遵循动量守恒定律。实验证明，对于材料一定的球，碰撞后分开的相对速度与碰撞前接近的相对速度成正比。碰前接近时的相对速度为v10-v20，碰后分离时的相对速度为v2-v1，于是有e?v2?v1
（6） v10?v20比例常数e叫做恢复系数，由两球材料的弹性决定。e=1是完全弹性碰撞，e=0是完全非弹性碰撞，0&e&1是一般非完全弹性碰撞。碰撞系数可用简单方法予以测定。方法是将一种材料制成小球，另一种材料制成平板包含各类专业文献、幼儿教育、小学教育、应用写作文书、各类资格考试、外语学习资料、行业资料、第四章 运动生物力学原理36等内容。　
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第四章 运动生物力学原理
导读：拳击运动员带的手套，不同的落地角度及缓冲程度与蹬伸角决定着运动员的起跳时间与施力方向，二、力学原理，人作为生物体具有其自身的生物特性，缓冲动作形式除了遵循物理学原理外还应遵循生物学原理，关节肌肉作退让性工作的特点可以说明缓冲动作原理，（一）缓冲动作的减小冲击力原理，有效地保护运动员，以武术运动中的腾空动作为例，假如落地后人体运动的速度变为V2，运动物体动量的变化mV2?mV1是由力的冲量作用的作是靠人体本身的动作来达到缓冲目的的，另外，还可以利用器械设备达到缓冲的目的。如撑竿跳高和跳高用的海绵垫、跳远的沙坑等，都是为了延长着地时力的作用时间以减小冲力。拳击运动员带的手套，可减缓击打时的冲击力值。从缓冲动作的目的分析，有些缓冲动作是作为动作的结束部分，掌握人体平衡是其主要任务，如体操、武术、技巧、舞蹈等结束部分的动作。另外，有相当一部分缓冲动作是为后续动作作准备，如跑及各种跃的缓冲动作只是整个支撑动作中的一步分。支撑腿落地一直到瞪离地面瞬间，一般经历3个阶段即落地、缓冲及蹬伸阶段。缓冲动作是落地的必然又为蹬伸做好准备，使下收各关节处于适宜的发力状态。短跑中蹬伸是产生水平加速度的重要要阶段，缓冲动作就要从这个前提出发而与之相适应，包括缓冲开始的落地方式，最大缓冲角以及在最大缓冲时人体重心与支撑点的互相联系。缓冲动作是体育技术动作的重要组成部分，很多项目中缓冲动作是不可或缺的。有些缓冲动作的作为技术动作的结果部分，但相当一部分缓冲动作是后继动作的准备。(一)作为结果部分的缓冲动作这类缓冲动作作为体育动作的结果部分，掌握人体平衡是其主要任务。例如体操各种下法、跳高跳远的落地动作等，如图1。落地缓冲动作分为三种类型，即链型缓冲、弹性缓冲、刚性缓冲。链型缓冲：是指落地阶段前期和中期膝、踝、髋关节彻底放松屈曲，不产生内力，而在后期(各关节屈至极限) 承受冲击，肌肉进行向心收缩，肌肉受力小于肌肉收缩力。冲击力随时间变化曲线如图2a 所示。跳远的落地动作中链型缓冲的缓冲力发生 在缓冲阶段后期，水平速度损失大，前冲力小，易图1 落地缓冲动作 出现后坐现象。
弹性缓冲：是指落地阶段全过程髋、膝、踝关节肌肉保持一定的紧张程度，有一定内力。肌肉进行离心收缩，肌肉受力大于肌肉收缩力其屈曲过程象一根弹簧受冲击压缩过程。冲击力曲线如图2b 所示。弹性缓冲的缓冲力发生在缓冲阶段全过程，前冲力和后坐力适中。刚性缓冲：是指落地阶段前期各有关关节没有弯曲，肌肉最大限度压缩，人体如同刚体,肌肉进行等长收缩,肌肉受力等于肌肉收缩力。这种情况下，冲击发生在落地阶段前期，冲击力曲线如图2c 所示。刚性缓冲冲击力发生在缓冲阶段前期，垂直速度损失大，前冲力大，后坐力小，易出现前冲。冲击类型与落地前准备姿式有关，根据准备姿式选择缓冲类型既有利于提高成绩，又有利于防止落地受伤。 a)链型缓冲 b) 弹性缓冲 c) 刚性缓冲
图2 三种缓冲类型冲力曲线 （二）作为中间环节的缓冲动作这类缓冲动作作为体育动作的中间环节，是后继动作的准备，如跑及各种跳跃的缓冲动作只是整个支撑动作中的一部分。支撑腿落地一直到离地瞬间，一般经历3个阶段，即落地、缓冲及蹬伸阶段。缓冲动作是落地的必然又为蹬伸做好准备，使下肢各关节处于适宜的发力状态。例如短跑，短跑中蹬伸是产生水平加速度的重要阶段，缓冲动作就要从这个前提出发而与之相适应，包括缓冲开始的落地方式，最大缓冲角以及在最大缓冲时人体重心与支撑点的互相联系。当重心投影点处于支撑点垂直时，膝关节及踝关节尚未达到最大缓冲，随后膝关节踝关节角度减少至最大缓冲阶段这就为蹬伸取得取得较小的后蹬角及肌肉发力有利获得最大的水平速度打下基础。在跳高起跳时，缓冲是为了蹬伸取得最大垂直速度及适宜的水平速度做准备的，屈膝角变化大（179-140，而短跑由153-135）。膝关节在人体重心与支撑点处在同一垂直面时就达到最大缓冲，随之肌肉爆发式用力，这就为获得最大垂直速度创造了条件。缓冲动作是支撑腿落地及蹬伸动作的中间环节，不同的落地角度及缓冲程度与蹬伸角决定着运动员的起跳时间与施力方向，从这个角度看，缓冲动作的好坏直接影响到完成动作的质量，如跳远，在同样助跑速度下，起跳脚前伸着地（与地面夹角小），跳脚缓冲小会导致制动力增大和作用力时间延长，使起跳时上体过分后仰，过早开始蹬伸使起跳后藤起角大，腾空过高，水平速度损失过大。相反，当起跳脚着地较近（与地面夹角大），缓冲过度时会导致蹬伸晚，较少了力的有效作用，会因腾空高度不够而大大缩短空中飞行距离，影响实际效果。二、力学原理人体的缓冲动作是为了减小冲击力对人体的损伤并保证动作的顺序完成，在人体外力的作用下，使伸展的各关节肌肉作离心收缩完成退让工作的动作形式。人体或环节的动量变化一定，关节肌肉作离心收缩延长力的作用时间，可减缓外力对人体或环节的作用，其理论基础就是动量定理。此外，人作为生物体具有其自身的生物特性，缓冲动作形式除了遵循物理学原理外还应遵循生物学原理，关节肌肉作退让性工作的特点可以说明缓冲动作原理。（一）缓冲动作的减小冲击力原理体育中很多需要减力的情况，如受冲拳打击的一方，就要减小力的大小，以减弱力的作用效果；腾空跳跃动作在落地时，要减小脚与地面的作用力，以减轻脚受地面的撞击，有效地保护运动员，防止受伤事故的发生。以武术运动中的腾空动作为例，经过助跑、踏跳到腾空，在落地前的一刻人体已经获得一定的速度V1，所以，对于落地动作，人体就有了初速度V1，动量mV1，假如落地后人体运动的速度变为V2，就是由于人体与地面碰撞的结果，即受到地面对人体碰撞力的冲量。由此可知，运动物体动量的变化mV2?mV1是由力的冲量作用的结果。物理学中又把反映这两个量在数量和方向关系上的客观规律，叫做动量定理。它指出，一个物体在时间t内的动量的改变量，等于作用在这个物体上的力的冲量。其数学表达式为F(t2?t1)?mV2?mV1 而在落地缓冲时间t内，人体所受的力主要有重力G和地面支撑反作用力N，并且两力的作用点均在落地脚上。如图5， 作用于全身的力的大小随时间的变化曲线，脚与地面一接触，身体所受的冲击力在约0.086秒时间内达到高峰，随时间的加长与身体的缓冲作用，冲击力在持续约0.2秒后开始陡降，约0.27秒时，冲击力变为零。由图可知，人体所受的合外力F?N?G。由动量定理F(t2?t1)?mV2?mV1可知，F?mV2?mV1/(t2?t1)；对每个运动员的某次动作来说，动量的变化量是一定的。即因此，运动员完成落地动作所需地面平均冲力的冲量也是一定。所以F与mV2?mV1一定，t成反比例关系，为了尽量减小地面对人体的平均冲力，防止伤害事故发生，就得尽可能设法延长人体与地面的落地接触时间。具体到动作上就是要屈膝缓冲，下肢肌肉做退让性收缩，以加长力的作用距离，增长力的作用时间，从而达到减小F的目的。从动量定理可知，缓冲动作可以减小冲击力，是因为人体与地面相互作用是人体在着地方向上实现动量变化的过程，人体与地面相互作用的动量变化值一定，延长力的作用时间，可减缓外力对人体的作用。必须指出，体育运动落地姿式是多样的，人体是一个有生命的灵活整休，缓冲动作类型不同,人体及各环节受力不同情况下，应注意在落地时四肢、躯体的屈伸的配合，将对延长落地缓冲时间发挥主动作用。熟练、规范的准备动作，快速的反应能力，是减小冲击力，提高运动成绩和避免运动损伤的重要条件。（二）缓冲动作的能量转化原理能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式或者一从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变，称为能量守量恒定律。缓冲动作能提高肌肉的弹性势能及肌张力。缓冲时，由于人体重力与地面作用力的相互作用，使即将完成基本动作的肌肉进行离心收缩，从而积累了弹性势能与肌张力。这种弹性势能属非代谢能，在缓冲结束时转化为后继动作（如后蹬）时转化为动能，即同时也增加了肌肉总收缩力。（三）缓冲动作的肌肉退让性工作原理现在的许多研究证明：运动员缓冲技术的好坏，主要是取决于参与完成缓冲的肌肉的退让性工作能力，其次与运动员支撑阶段的缓冲准备、掌握运用缓冲技术的能力有关。下肢肌肉退让性工作能力的强弱直接影响着缓冲质量的高低以及正确缓冲动作的完成。上海交通大学体育系孟长富同志在《通过对退让性工作肌电图的研究探讨发展肌肉力量的机理》中指出，通过对肌肉退让性工作的研究发现，肌肉作退让性工作时与肌肉所承载的负荷和肌肉作退让性工作的速度有直接关系，“只有在大负荷条件下完成退让工作时原动肌的电活动才非常明显”，因此，在大的外力冲击下，肌肉退让性工作当是缓冲技术的首选。生物力学的研究亦表明，肌肉退让性工作时发挥的力量最大，静力性工作次之，克制性工作最小。据牵张反射机制，退让性工作能更好地使拉长的肌肉进行后继性收缩，将弹性势能转化为动能，在缓冲阶段使关节周围的大机群肌肉发挥最大工作效率。以落地缓冲为例，在缓冲阶段，髋关节积极伸展，伸肌群作克制性工作，膝关节的伸肌群(股前肌群)和踝关节的屈肌群(主要是小腿三头肌)及足底的韧带在巨大的压力作用下被迫拉长，作退让性工作，地面支撑反作用力对人体的作用主要是通过肌肉的退让性工作来加以缓冲和吸收的。肌肉在作退让性工作缓冲地面支撑反作用的同时，将大量的机械能转化为肌肉的弹性势能贮存起来，使整个缓冲阶段成为推动人体继续向前运动的动力储备期。股后肌群在缓冲阶段也参于工作，其作用是积极去拉引小腿，对身体重心、的产生一定的牵引，加速身体重心的前移。由此可以看出，在缓冲阶段，下肢肌群有的作退让性工作，而有的作克制性工作，退让性工作和克制性工作并存，但就其在缓冲过程中所起的作用大小看，肌肉的退让性工作占绝对优势，因此，肌肉在缓冲过程中退让性工作能力的强弱直接决定着缓冲质量的好坏。肌肉退让性工作能力越强，缓冲的效果就越好。三、动作特征缓冲动作的理论基础是动量定理，缓冲过程是物体因受冲量作用而产生动量变化，在动作特征上主要表现为如下几个方面：1．在人体动量变化一定情况下，延长力的作用时间，减小对环节及人体的冲击力，减缓外力对人体的作用。如人体由空中的各种落地的缓冲动作。2．缓冲动作不仅是一个动量转化过程，还是肌肉主动持续做功致使人体能量转化的过程。如人体各种跑、跳动作的缓冲过程。3．缓冲动作与人体解剖特点有关。人体在运动过程中的各种缓冲动作，是依靠人体关节、脊柱、肌肉、肌腱和韧带等合理的工作实现的。人体的解剖特点和机能状态水平，将影响缓冲动作的质量和效果。因此，在运动训练中应结合有运动专项的特点，进行针对性训练，不断提高自身的缓冲能力。4．在运动过程中，人体可借助各种缓冲器材，增加缓冲效果。如体操运动场馆使用的海绵垫、海绵包；跳远沙坑、田径场馆的塑胶和煤渣跑道、各种球馆地板的质量和结构；运动鞋的气垫装置、拳击运动员的拳击手套等。这些场馆、器材对增强缓冲效果，防止运动损伤，提高运动成绩具有重要作用。5．缓冲动作的实例分析由以上原理可以看出，人体作为有生命的生物体，其缓冲动作不仅仅会遵循物理学原理，还必然蕴含着比器械环更加复杂的生物学原理。下面以落体和途中跑为例对各种原理在缓冲动作中的应用加以分析。（1）作为结束部分的缓冲动作当人体从一定高度下落通过下肢与地面相互作用时，由于惯性和重力的作用，使伸展下肢各关节肌肉做退让性的工作，良好的缓冲动作下肢关节应呈屈曲状态，一般要求前脚掌先着地，并迅速过渡到全脚掌，并同时伴有屈膝、屈髋、伸踝动作，通过下肢三大环节角度的改变延长脚与地面的接触时间，进而减小冲力可能对人体造成的伤害。在缓冲阶段是膝关节周围大肌肉群发挥最大的工作效率，通过下肢肌肉的调节，使膝关节屈曲来减少地面对人的冲击力，保护人体免受损伤。（2）作为中间环节的缓冲动作跳跃动作的起跳技术是由起跳腿的着地、缓冲和蹬伸三个环节构成。作为准备性动作环节的缓冲动作是完成动作技术的重要环节。人体在快速助跑的条件下，由于快速奔跑的惯性和积极踏跳地面产生的巨大冲力，迫使起跳腿做退让工作。从起跳脚接触地面的瞬间开始，起跳腿的髋、膝、踝关节的弯曲程度均在不断加大，使即将完成基本动作的肌肉进行离心收缩，从而积累了弹性势能与肌张力，为后续的蹬伸动作创造了良好的力学条件。缓冲的幅度和所用的时间是影响起跳技术的关键。踏跳时，如果运动员起跳腿伸肌的退让性收缩能力强，则伸肌群缓冲外界负荷的能力强，肌肉被拉伸的长度小，缓冲与蹬伸“过度”时间短，肌肉由离心收缩快速过度的向心收缩。反之如果如果运动员起跳腿伸肌的退让性收缩能力弱，着地后下肢关节过度弯曲，导致退让性工作向克制式工作的“过度”延缓，会延长起跳时间，减慢起跳速度，降低起跳效果。所以，完成缓冲动作的质量的好坏，直接影响起跳效果。快速完成缓冲并较早地开始蹬伸动作是提高起跳速度和起跳效果的关键。因此，对从事跳跃项目的运动员，在训练过程中应不断提高起跳腿退让工作的能力。第五节 鞭打动作的生物力学原理（李世明）一、动作形式人体在结构上是由关节将身体各环节相连，因此在对人体运动进行研究时可将人体简化为环节链。在体育动作中，当希望环节链末端产生极大的速度和力量时，肢体的运动形式往往表现为由近端环节到远端环节依次加速与制动，各环节的速度也表现为由近端到远端的依次增加。人们把这种在克服阻力或自体位移过程中，肢体依次加速与制动，使末端环节产生极大速度的动作形式称为鞭打动作。鞭打动作是许多体育技术动作的重要组成部分，很多项目中肢体动作都被认为是鞭打动作。在体育运动中，运动员完成某一动作时，经常需要两臂（手）或两腿（足）具有尽可能大的运动速度，往往运用鞭打动作原理。首先使身体的躯干部位产生加速获得一定动量，然后通过挥臂或摆腿动作使躯干制动，将躯干的动量传给上肢或下肢，由于四肢（鞭梢）质量比躯干（鞭根）质量小得多，所以四肢就获得了比躯干大得多的运动速度。这种动作形式类似鞭子的鞭打。鞭打动作可分为上肢的鞭打动作、下肢的鞭打动作和全身的鞭打动作。上肢的鞭打动作又可分为投掷性鞭打动作与打击性鞭打动作，打击性鞭打动作根据运动员是否持有器械又可分无器械打击性鞭打动作与有器械打击性鞭打动作。例如投掷标枪、手榴弹及棒、垒球的投球等属于上肢鞭打动作中的投掷性鞭打；排球的扣球、发球等属于上肢打击性鞭打动作的无器械鞭打；乒乓球、羽毛球、网球的某些发球及扣击球等属于上肢打击性鞭打动作的有器械鞭打动作；下肢的大力踢球、散打中的鞭腿等属于下肢鞭打动作；游泳的蝶泳动作，体操的双杠挂臂前摆振浪动作等都属于全身鞭打动作。全身鞭打动作属于鞭打类动作中比较特殊的一类，它是上、下肢鞭打动作的基础。如在投掷标枪过程中，现在人们认为投掷臂（上肢）的鞭打动作只是整个动作过程中比较重要的一部分，实际上鞭打动作从下肢的制动就开始了，表现出了各环节依次加速与制动的环节活动顺序特征，其动量传递给上肢最终传递给末端环节－手及标枪；再如排球的扣球动作上肢的鞭打动作只是整个扣球动作中的关键部分，而实际上扣球鞭打是从躯干开始的。而在足球脚背内侧大力踢球过程中，实现下肢各环节动量传递的鞭打动作实际上始于躯干的扭转。因此可以认为，全身鞭打是很多上、下肢鞭打动作的基础。我们下面所讨论的上、下肢鞭打动作形式仅是局部的，狭义的鞭打动作，在实际问题中分析鞭打动作形式时应该考虑鞭打动作的完整性。（一）上肢鞭打上肢鞭打可以分为投掷与打击两种主要形式。1．投掷性鞭打动作类似掷标枪、棒球、垒球等项目中上肢作投掷性的鞭打称为投掷性鞭打动作。如投掷标枪动作中，身体各部分的鞭打是有顺序的，优秀运动员对标枪的用力曲线图呈双峰形（如图1）。在鞭打之前手向鞭打的反方向移动,右腿在左腿强有力的支撑下积极蹬伸，身体形成“满弓”动作致使做鞭打动作的肌群处于被拉长的状态储备弹性势能，紧接着髋关节及躯干屈曲鞭打，曲线图出现第一波峰；肩关节在投掷方向上产生加速度，紧接着肩带及肩关节产生活动，使肘关节产图1 对标枪用力曲线 生位移，躯干开始制动，使上臂急速向前上方运动，前臂跟着上臂留在后面，曲线图上出现一个小波谷，在此基础上上臂制动伸肘急剧收缩，使前臂、腕关节挥动将标枪投出去。曲线图上出现了第二个波峰，力量达到最大值。在投掷过程中，投掷臂各关节的速度变化呈一定的规律性（图2），肩关节首先出现速度峰值接着开始减速，肘关节出现速度峰值接着开始减速，最后腕关节出现速度峰值，以上说明鞭打动作的一个特点，即每一个环节最大运动速度是在前一个环节达到最大速度后获得的，近端环节制动的同时远端环节作加速运动，远端环节速度是由近端环节动量传递和速度依次叠加而成的，使远端获得很大的角速度和线速度。当然，动量传递只是肢体鞭打动作快速有力的一个方面，在这一过程中，使远端环节在鞭打方向上加速的原动肌也发挥着较大的作用。肢体各关节依次发力，使各环节的动量逐步积累，末端环节（手或足）的运动速度是由其各近侧环节的运动速度的依次叠加而成，这是另一个重要方面。 速度 图2 投掷臂各关节的速度曲线 2．打击性鞭打动作打击性鞭打动作可分为无器械打击性鞭打与有器械打击性鞭打两类。（1）无器械打击性鞭打动作排球的扣球、发球等均为上肢打击性鞭打中的无器械鞭打动作形式。如在排球的扣球动作之前，上肢处于明显的屈曲状态（如图3）。这样既可减少上肢的转动惯量，又可使参与挥臂的肌群处于最佳发力状态，便于提高肌肉的收缩速度，最终使各环节的动量以较合理的途径进行传递，最后通过手腕的甩动和加速，用全手掌作用于球体，从而达到增大打击效果的目的。 图3无器械打击性鞭打动作（2）有器械打击性鞭打动作乒乓球、羽毛球以及网球的扣杀等为有器械的打击性鞭打动作形式。如在网球大力发球过程中，下肢足够大的地面反作用力，使身体“蹬离地面”（Elliott&Wood,1983; Van Gheluwe&Hebbelinkck,1986）,同时使躯干转动产生向前、向上的肩关节速度，此速度约为击球时球拍速度的10%～20％（Elliott et al.1986; Van Gheluwe&Hebbelinkck,1986; Elliott et al.1995）。这些下肢和躯干的运动也使球拍向“后下方”牵引，这样肩关节和肘关节的肌肉和组织被拉长,利于后继的发力动作。在发球过程中，环节运动顺序显示为：上臂屈曲和外展最早，随后是肘关节伸、腕关节尺屈、上臂旋内和腕关节伸，最后是前臂旋内微调拍面，形成了膝关节、髋关节、肩关节、肘关节、腕关节、球拍的依次加速过程（图4），体现出了典型的鞭打动作形式。 包含总结汇报、表格模板、自然科学、经管营销、医药卫生、教学研究、工程科技、出国留学以及第四章 运动生物力学原理等内容。本文共7页
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