生物力学概论学习

运动训练生物力学学习笔记学校：:广州体育学院研究生部专业：:运动训练学号：:105852011400049姓名：:张江龙第一章生物力学概论一．生物力学的定义生物力学是研究生物系统机械运动特点及规律的科学。

它既包括从宏观的角度对生物体整体和器官，组织的运动以及机械特征的研究，又包括从宏观和微观的角度对不同层次的生物组织结构内部的运动和变化进行研究。

生物力学是一门力学与生物学科相互结合相互渗透的边缘学科。

1.运动生物力学运动生物力学是研究体育运动中人体机械运动特点及规律的科学2.运动训练生物力学它利用力学原理和各种科学方法，对体育运动中人体的运动行为作定量的描述和分析，并结合运动解刨学和运动生理学的生物原理对运动进行综合评定，从力学和生物学的相关关系中得出人体运动的内在联系和基本规律，从而确定不同运动项目运动行为的不同特点运动生物力学密切关注并研究体育运动对人体的有关器官的结构及机能的反作用，最终以指导运动训练为宗旨3.运动生物力学研究的目的主要是探索不同运动项目的力学原理与规律，为科学训练提供必要的理论依据及方法，以提高竞技体育成绩和增强人类体质。

二．人体机械运动的特点1.人体运动2.人体的机械运动人体的机械运动是在意识的支配下所完成的带有明确目的和一定意义的一系列动作行为。

因此人体的机械运动可以说是人体高级运动形成的一种外在表现。

人体的机械运动是在外部作用力和内部肌肉张力的作用下产生的。

所以要想揭示人体机械运动的规律，不仅要研究力学的因素，而且还必须探讨其生物学方面的因素。

需要强调的是：对于分析一般的机械系统的运动，无须对引起该系统的运动发生变化的原动力来源加以仔细研究，提供符合要求的动力装置并非是力学研究者所要研究的对象。

然而，使人体运动发生变化的原动力-------肌肉张力确是生物力学研究者必须关注的一个问题。

肌肉力学是研究人体机械运动规律的基础。

物体系统作为整体相对于周围参照物体的位移运动机械运动的表现形式.系统本身发生的变化注意：人体在运动过程中既受自身生物学和生物力学因素的制约，又受到外部力学因素和运动规则的制约。

因此必定可以找到客观存在的最合理的最有效的运动技术，以求到最好的运动成绩。

寻求合理和有效的运动技术包括两方面的研究内容：一是提示动作技术原理，二是制定最佳运动技术方案。

三．生物力学的任务1.研究人体结构和机能的生物力学特征2.揭示动作技术原理，建立合理的动作技术模式长期的运动实践技术动作形成的两个途径利用生物力学理论揭示运动技术的原理及创造新的技术动作3.进行生物力学诊断，制定最佳运动技术方案4.为设计和改进运动器械提高生物力学依据四．生物力学原理对技术训练的指导作用1.运动技术训练必须符合动作技术的生物力学原理2.技术动作训练中各要素的总体最佳化3.通过技术诊断调控技术训练过程4.技术训练中的区别对待五．总结生物力学就是将力学原理与人体生理学解剖学原理相融合对人体的运动技能进行定量分析的一门应用型学科。

生物力学的任务是定量的分析动作技术的生物力学原理，是动作更加合理化；探究新的技术动作的产生，为运动员更好的获取运动技能，预防损伤提供理论指导。

第二章肌肉生物力学肌肉与人体的其它软组织不同，在神经的控制下，它能使化学能在体温下转化为机械能。

人的肌肉可分为三大类：骨骼肌、心肌和平滑肌。

它们的组织成分相同，收缩的生化机理相近，但在结构、功能和力学性质上有着许多的差别。

本章将着重对人体骨骼肌的有关力学方面的特征进行阐述。

一．肌肉的力学特征1.肌肉的伸展性和弹性肌肉在外力的作用下能别拉长的特性称为肌肉的伸展性，使肌肉伸展的外力除去后又会恢复到原来长度的特性称为肌肉的弹性。

2.肌肉的粘滞性●肌肉的粘滞性是指肌肉收缩时，由于肌纤维内胶状物质分子间的摩擦及肌纤维彼此间摩擦产生阻力，使肌肉活动迟缓的特性。

●温度低，粘滞性增大；温度升高，粘滞性降低。

●运动前做准备活动，使体温升高，减少肌肉粘滞性产生的阻力，增加肌肉的收缩速度，提高肌肉的工作能力和预防肌肉的拉伤。

3.肌肉的松弛肌肉不具有完全弹性，而有明显的时间效应，其时间越延长，其力量速度就越下降，故把肌肉的这种特性称为肌肉的松弛。

二．肌肉结构的力学特征1.模型的建立肌肉结构的力学模型又称为三元模型，由收缩成分和弹性成分组成。

肌束膜并联弹性成分肌纤维膜等结缔组织模型的弹性成分肌原纤维过度到骨骼上的肌键串联弹性成分肌原纤维的肌节各阶段间的弹性纤维模型的收缩成分相当于肌原纤维的肌节部位。

肌节由肌动蛋白微丝肌球蛋白微丝构成，当肌肉兴奋时肌动蛋白微丝与肌球蛋白微丝发生相互机械滑动，从而导致肌肉张力和长度的改变。

图2-1肌肉结构力学的模型整块肌肉可认为是由许多这样的模型混连在一起的。

模型的串联构成肌肉的长度；其并联构成肌肉的厚度，多个模型串联而成的肌肉，当各个收缩元产生相同的收缩力时，每个模型受到的外力相等，也等于整个肌肉两端的外力。

而肌肉的伸长或缩短的总长度却等于各个模型伸长或缩短之和。

由此可见，肌肉长度的增加对其收缩速度有良好的影响，但不影响它的收缩力量。

肌肉缩短时，如果各个模型产生同样的形变，那么肌肉两端的作用力是各个模型对其两端作用力之和。

而肌肉的形变与模型的形变相同。

多个模型并联而成的肌肉，因生理横断面的增加会使肌肉收缩力的增加，但不会影响肌肉的收缩速度。

2. 模型的性质（1）平衡长度肌肉在无负荷状态下的长度称为平衡长度。

(2) 潜伏期生物力学研究表明,肌肉的兴奋与产生的收缩并不同步，肌肉兴奋后收缩元的张力首先使串联弹性元变形，其张力发生变化，因此肌肉张力的发展需要一个过程，把这个过程称为潜伏期。

当肌肉受到的载荷越大时，其潜伏期就越长。

提高肌肉的预张力可以缩短动作的潜伏期。

（3）总张力依据肌肉结构力学模型可知，肌肉的总张力是由收缩元产生的主动张力和并联弹性元、串联弹性元的被动张力叠加而成。

三．肌肉收缩的力量、速度及功率的关系1.希尔方程（a+T）(V+b)=b(T0+a) 其中a为实验中的力学常数, 希尔进一步研究又发现参数a=0.16T0+0.18T ,方程中b为实验中速度常数。

T0为肌肉收缩时产生的张力，T为肌肉放松时产生的张力。

V为肌肉收缩的速度。

2.希尔方程曲线（F-V）当肌肉收缩的速度减慢至零时，肌力最大。

解释：肌力随着肌肉收缩速度而下降的原因是由于收缩成分中横桥在断开与联系时损失了肌力，以及收缩成分和结缔组织中的流体粘滞性所致，因此随着收缩速度的增加，需要更大的内力克服这些粘滞力，并造成肌肉张力更明显的下降。

3.肌肉收缩的力学效应与特点（1）肌肉拉力及其结构第三章人体运动的静力学一．身体的平衡1.身体平衡的条件：∑F i=0,∑M i=02.影响平衡的力学要素（1）支撑面（2）身体重心（3）稳定角（4）平衡角（5）稳度系数二．人体重心及测定1.人体重心的概念及位置概念：人体各部分所受地心引力的合力位置：据测定，当身体处于正常的解刨状态时，重心位置一般在身体正中面上第三0椎上缘前右上方7cm处。

重心的位置随人体姿势、体质、年龄、性别等变化，一般来说，当人体自然站离时，重心的高度可以用下面公式计算男子：H=身高X56% 女子=身高X55%2.用合力矩测定人体重心的方法（1）环节的相对重量（a i）环节的相对重量（a i）=p i/p , p i 表示环节的绝对重量，p表示人体的重量而布拉温与菲舍尔通过尸体切割法得出人体各环节的相对质量重要数据：（2）环节重心半径系数（b i）b i=l/L*100% 其中l为环节重心到近端关节中心的长度，L为环节的绝对长度。

置。

（3）计算身体重心位置的基本公式X=∑a i*x i Y=∑a i*y i其中X,Y分别为身体重心的坐标，x i，y i分别为环节重心的坐标。

（4）测定人体重心的步骤●在图片上确定出各关节中心●连接相邻两关节中心，并量出各环节的长度（L）●利用公式l i=b i*L,计算出各环节的重心位置，并在图片上表示出来●确定头手的重心位置●在图片的平面内任意建立一直角坐标系OXY，并测出各环节重心的x i, y i坐标●分别算出各环节对X、Y轴的相对力矩a i*x i 和a i*y i●利用公式X=∑a i*x i 、Y=∑a i*y i，求出各环节相对于X、Y轴的合力矩●最后在图片上标明人体重心的X、Y坐标3.目测法测力矩●找准对方上下、左右质量分布对称线，两线之交点即为对方身体重心所在●建立一个矩形其对角线的交点便为对方身体重心的所在点第四章人体运动学与测试方法人体运动的运动学其任务就是通过位置、速度、加速度等物理量描述和研究人体以及器械的位置随时间变化的规律或运动过程中所经过的轨迹，而不考虑导致人体和器械位置与运动状态改变的原因。

一 .运动的相对性及参考系1.参考系与坐标系在运动生物力学中还要遇到惯性参考系和非惯性参考系的问题（1）惯性参考系把相对于地球静止的物体或相对于地球匀速直线运动的物体作为参考标准的参考系叫惯性参考系，又称为静坐标或静系。

（2）非惯性参考系把相对于地球做变速运动的物体作为参考标准的参考系叫非惯性参考系，又称为动参考系。

二．人体运动的基本形式三.运动的基本特点与规律1.基本物理量与特性轨迹路程位移运动时间运动时刻速度加速度速度的合成与分解在实际训练中的应用。

2.质点的复合运动（1）绝对运动运动着的质点现对于静参考系的运动称为绝对运动，与之所对应的速度称为绝对速度（V a）（2）相对运动动点相对于动参考系的运动称为相对运动，与之所对应的速度称为相对速度(V t)(3)牵连运动动参考系相对于静参考系的运动称为牵连运动，与之对应的速度称为牵连速度(V e)(4)描述人体运动的基本方法●运动方程法●图像法●表格法四．运动学参数测试方法运动学参数的测试方法包括电学法、光学法和光电技术法等1.电学法电学法是利用电测仪器将非电量的人体运动学特征量转换为电信号，然后加以分析、处理。

经常采用的电测方法有两种：(1)角度传感器角度传感器能将关节角度的变化转换为电信号。

优点：是测试周期短；缺点：是他对动作的完成有一定的影响，容易造成动作失真。

（2）加速度传感器加速度传感器是用于测试人体运动时某一部分的加速度，或者测试运动器械的加速度。

优点：测试周期短，可以实时测试和处理缺点：只能测出相对运动的特征量，另外，由于加速度传感器必须与被测对象连接，因此它对被测试对象的运动有干扰作用。

若与器械连接，则给器械添加额外的重量；若与人连接，则容易造成动作失真。

2.光学法光学法是利用光学仪器成像技术原理测试人体运动学特征量，并加以解释处理和分析。

经常采用的光学法有两种（1）高速电影摄像高速电影摄像是采用高速摄影机对运动进行摄影，然后对胶片进行冲洗，最后用影片解析仪解析，获得运动学参数。