运动生物力学

人體重心（二）
平衡的種類
◎穩定平衡 無論物體如何移動，其重心一定上升，如單槓懸 垂.雙槓槓上支撐。 ◎不穩定平衡 物體原來姿勢，不增加位移，位置稍有傾斜，重 心會下降，如起跑姿勢，手倒立。 ◎隨遇平衡 如物體移動，仍為平衡者，物體位置變動時，重 心既不升高，也不降低，如不倒翁。
影響平衡的因素
◎重心在支撐基底面內 • 支撑基底:身體和支撐表面之間所圍 成的面積。 • 物體重心在基底面內，亦即重心線 在基底面內，此物體就穩定平衡， 重心線愈靠近基底邊線，愈不穩定。 ◎基底面大小 ◎重量 ◎重心高度 : 重心愈靠近基底，愈穩 定。 ◎迴旋 : 向前迴旋運動，增加物體穩 定性。
運動生物力學的原理與應用
美和技術學院
廖逢錦 博士
97.05.25
何謂運動生物力學?
◎運動生物力學(Biomechanics): 是運動學(Kinematics)和生物力學 (Kinesiology)整合而成的一門科學。 ◎運動生物力學:是描寫、分析與評估人體運 動時，身體之內在與外在力量，以及這些 力量所造成影響的一門科學(Hay,1993)
動力學(Kinetics)
•討探力與運動之間關係的研究 •牛頓第二運動定律 F = ma •衝量動量等式定律 F∆ t = m∆ V
平衡與穩定原理 (Principles of balance and stability) • • • • 重心 平衡的種類 影響平衡的因素 力矩
人體重心（一）
◎重心(Center of gravity , COG) •身體各部位受到地球引力的作用,把各個部 位的引力加起來，這些引力合力的作用點 就是COG。 ◎重心受年齡、性別、身體結構的影響 •COG是身體最大肌力所在，是產生大力量的 原點。 •人體站立時重心在第二薦椎前方一吋處。
謝謝聆聽 敬請指教
習題
1.跑步和走路的差異何在？ 2.何謂牛頓運動定律？請分述之。 3.第一類型的槓桿， 是支點、力點、重點其中 那一點在中央？ 4.第二類型的槓桿，支點、力點、重點三點槓 桿中的那一點在中央？又那種運動是運用這 型的槓桿? 5.第三類型的槓桿，支點、力點、重點三點槓 桿中的那一點在中央？又那種運動是運用這 型的槓桿?
運動學(Kinematics)
◎只描述物體運動，不考慮引起運動之原因 －「力」之研究。 ◎運動學之參數( Kinematic parameter) •時間(Time) •位移(Displacement) •速度(Velocity) V=∆x /∆t •加速度(Acceleration) a=∆V /∆t
◎動量 （Momentum） 一個運動中的物體之直線動量，等於物體質量與其速度的乘積。 直線動量(Ｐ)＝m(質量)×V(速度)。
影響直線動量的因素包括物體的質量與物體的速度
要改變一個物體的動量，就必需給予一個動量，一個正的(加速) 力量可使動量增加，一個負的(減速)力量會使物體的動量減少， 如果淨力量為零，則物體的動量不會改變。
Байду номын сангаас
跑步和走路的差異
◎跑需要較大的平衡 • 無雙支撐期 • 飛程期 ◎跑需要較大的肌力 • 肌肉必須快速而有力的收縮 ◎跑需要較大的動作範圍（旋轉） • 跨步與跑步動作幅度大且快 ◎跑時軀幹較前傾
走路與跑步GRF比較圖
游泳的生物力學
◎浮力 (Buoyancy) 即身體浸入水中時，使身體飄浮的力量。 浮力大小需視骨骼與肌肉佔總重量的比例而定。 根據阿基米德原理(Archimedes’ principle)，作用 於沈入液體中物體的浮力大小等於其所排出液體等體 積的重量。 ◎推進力 (Propelling force) ◎阻力 (Resistive forces) 皮膚阻力（表面摩擦力）。 身體在水面上下移動時產生的水波阻力（波浪阻力）。 漩渦產生的阻力（亂流阻力）。
第一型槓桿
◎支點可以移動位置， 以達不同目的 ◎機械效益小，利於速 度而不利於力量；反 之，利於力量而不利 於速度。 •機械效益:力臂/阻力 臂 ◎阻力矩=阻力×阻力臂 力矩=力×力臂
第二型槓桿
◎重點位於支點與力點 之間，力臂永遠大於 阻力臂。 ◎利於力量而不利於速 度與運動範圍。 ◎角力、柔道之大小外 刈動作、摔動作。
臀摔的槓桿原理
第三型槓桿
◎力點在重點和支點之 間，力臂小於阻力臂。 ◎利於速度、運動範圍， 不利於力量。 ◎持拍、棒、棍擊球的 動作；划船、撐竿動 作；踢球動作。
走路的生物力學（一）
◎Stride length：同一腳兩次接處地面間的距離。 ◎Stride frequency：時間內的步數。 ◎Gait cycle：步行周期 在單一步行周期內，每一腳都會經歷兩階段。 •Stance phase (站立周期) •Single support phase •Double support phase •Swing phase (擺動周期)
運動生物力學架構圖
時間 位移
運動學
速度 加速度 慣性 摩擦 力 牛頓第一運動 定律 平衡
動力 學
動量-衝量 牛頓第二運動定律 碰撞
力學
牛頓第三運動定律
動量守恆 定律
力矩
功、能、 功率
機械效率
運動生物力學的發展方向
•找尋各種運動的最佳技術:定性分析與定量分析 •探究肌肉骨骼系統的最佳用力方式 : 槓桿原理、 力學特性、 協調。 •運動器材方面的研究 : 增進成績、預防傷害(跑 鞋.標槍) •研究方法的發展 : 同步分析、資料修勻的方法 •生物力學儀器的發展 : 儀器不斷更新、資料處理 時間縮短
◎牛頓運動定律（Newton’s Laws）
牛頓的運動定律 (Laws of Motion)
◎慣性定律 (the law of inertia) •說明「動者恆動,靜者恆靜」的物理概念。 ◎加速度定律(the law of acceleration) •F=ma,作用力為質量與加速度的乘積。 ◎反作用力定律(the law of counterforce) 當甲物以一作用力撞擊乙物時,乙物也會以 相等大小,方向相反之作用力,回作用在甲 物上。
◎衝量(Impulse)
– 衝量 J= F ∆t 表示作用力 (F) 持續作用一段時間∆t的累 積效應。 – 力量與力量作用時間的乘積稱為衝量。
◎衝量-動量定理
– F∆ t = m∆ V – 一個力量的衝量等於其所產生之動量變化。在相同動 量條件下，力量與力量的作用時間成反比。 – 因此，只要衝量保持不變，可以用時間來換取力量。
力矩原理之應用
◎推門: ◎擲鐵餅: ◎翹翹板: ◎單槓大迴環 •下降時，身體充份伸展，使重心 遠離握點，加大力臂 •上升時，身體稍微彎曲，使重心 接近握點，縮小力臂 •向下力矩大於向上力矩，故能旋 轉不停
運動 (Motion)
◎平移運動(translatory motion) • 當外力施加於物體質心時，該物體沿直線移動。 • 不管外力作用於物體的何處，該物體僅能做線性運動。 ◎轉動運動 (rotary motion) • 發生於當外力施加於物體偏離重心的位置時。 • 不管外力作用於物體何處，物體只能做轉動性移動。 ◎速度 （velocity） • 表示單位時間內移動的距離。 • 加速度指單位時間內速度的增加量。 • 減速度指單位時間內速度的減少量。
走路的生物力學（二）
◎Stance phase (站立周期) • Heel strike → Foot flat → Mid stance → Heel off → Toe off ◎Swing phase (擺動周期) • Initial swing（加速） → Mid swing → Terminal swing（減速）
槓桿(Levers)的運作模式
◎ Lever:是一種「簡單的機械」， 其設計是為了提供一個力量時， 可用來改變力量大小及方向。 •目的:省力而不利於速度，費力 而利於速度 ◎第一型槓桿(First class lever) ◎第二型槓桿(Second class lever) ◎第三型槓桿(Third class lever)
蛙泳窄蹬腿為何較快？
有效的人體力學之基本原則
◎物體靠近身體重心 ◎較寬的支撐基底 ◎足部的位置隨著運動方向而調整 ◎舉起物體時應避免扭轉 ◎儘可能以推、拉、旋轉、滑等方式來代替 抬起物體。 ◎使用 Power position
Power Position
◎使用“power position”的 動作要點 •膝微彎 •上身前傾 •背打直 •胸和頭保持正直