运动生物力学的运用范文

摘要力学原理在体育运动中的应用十分普遍，对力学在体育运动中的应用进行研究不但有利于运动员体育运动水平和体育运动能力的提升，还有助于体育和物理两门学科的交叉相融。因此本文针对这个问题从物理中的速度、杠杆原理、摩擦力、惯性以及动力学原理等不同角度对其进行了简要的探讨和分析，希望能对相关领域的工作者有所启示。

关键词力学体育运动物理应用研究

物理中的“速度”在体育运动中的应用

在物理学中，速度是用来反映物体运动快慢的一个物理量，而在所有的体育运动中，也无一例外的均会涉及到运动员速度快慢的问题。比如，在很多球类运动中经常使用的“快攻战术”，就是运动员利用快速奔跑等方式增大自身的运动速度，快速移动、摆脱对手并同时寻求良好的进攻机会的过程。根据物理学中的牛顿第二定律，运动员在进行加速运动的同时，肯定伴随着力量的消耗，而这一点也为体育竞赛中的战术部署提供了条件，如：将本队队员分为两组，一组不断加速给对手施加压力，以消耗对方的体力，而另外一组则保持匀速运动，保存体力，寻找合适的战机，赢取最终的胜利。

物理中的“杠杆原理”在体育运动中的应用

物理学中的“杠杆原理”在体育运动中具有十分重要的意义。物理学中研究的杠杆在人体内也是现实的存在，比如：人体内在肌肉拉力的作用下骨骼可以围绕人体的关节转动，这其实就是人体内的骨杠杆。通常来说人体内的杠杆主要有三种：一种是支点在力点和阻力点之间的平衡杠杆；另外一种是阻力点在力点与支点之间的省力杠杆；还有一种是，力点在支点和阻力点之间的速度杠杆。一般情况下，人体内所存在的杠杆大部分都是速度杠杆。虽然因为速度杠杆中，阻力臂大于力臂，活动起来比较费力，但是却能使运动员的肢体末端获得较大的运动速度和运动幅度。人体杠杆的这个特点可以在标枪、铅球等投掷运动中科学运用，投掷体育运动项目，通常都要求加大运动器材的出手速度，因此，在此类运动中，根据杠杆原理均要求运动员充分伸展上臂，以加大阻力臂，形成速度杠杆，从而提高运动成绩。

物理中的“摩擦力”在体育运动中的应用

由摩擦力在物理学中的定义可知，摩擦力的大小与压力的大小及接触面的粗糙程度有关，任何物体的运动过程中均会受到摩擦力的作用，在体育运动的过程中，运动员以及运动员所使用的运动器械也会受到摩擦力的影响，需要考虑摩擦力的作用因素。比如：在有些体育运动项目中，为了提高运动成绩，必须采用一定的方式来增大摩擦力，如百米赛跑中运动员所穿的带有鞋钉的跑鞋、体操运动员在手上涂抹的镁粉、篮球上的花纹、足球守门员所用的手套等均是处于这个方面的考虑。

物理中的“惯性”在体育运动中的应用

由物理知识可以知道，任何运动着的物体均有继续保持其运动状态的性质，也就是惯性。在体育运动过程中，惯性也同样是无处不在的，但是根据运动项目的不同，有时惯性的存在能有效的促进运动成绩的提升，有时惯性的存在却严重影响运动员的正常发挥，必须加以防止。比如：跳高、跳远中的助跑、投掷运动中运动员手臂的尽量后摆等都是为了充分利用惯性提高运动成绩的方式；而篮球运动员在三步上篮过程中，投篮时不能正对篮环则是为了弥补正常投篮的状态下由惯性造成的投篮不准问题。

物理中的“动力学原理”在体育运动中的应用

动力学原理可以在诸多的体育运动项目中得以呈现。动力学的核心部分是牛顿三定律。由牛顿第二定律：a=F/m可知，物体运动的加速度与物体所受到的合外力成正比，与物体的质量成反比。而在体育运动的过程中，在固定的一段时间内人体的质量和所使用的运动器材的质量都是不变的，所以在很多运动项目中，运动员常常采用加大自身速度的方式来获得更大的力量，如：跳高、跳远、跳马等运动项目中，运动员踏跳力量的大小均与运动员助跑的速度有紧密的关系。在铅球、标枪等体育运动项目中，运动员也是通过加快速度的方式来获得更大力量的典型。

牛顿第三运动定律的主要内容是：两个物体之间的作用力和反作用力总是作用在一条直线上，且大小相等，方向相反。牛顿第三运动定律在体育运动中也常被运用，例如，在投掷运动项目中，运动员通过助跑和滑步的方式获得一定的初速度之后，将运动器材投掷出去，在投掷时都会用力蹬地，以便获得更大的反作用力，然后再通过人体将所获得的反作用力转移到运动器材上，从而获得更好的运动成绩。

在物理学中，功率的数学表达式为：P=F・V，即，力和速度的乘积。在体育运动中，力和速度的乘积又称为运动员的“爆发能力”，也就是人们通常所说的爆发力。在排球、羽毛球、乒乓球等球类项目中，对运动员的上肢爆发力有很高的要求，而在跳高、跳远、跳马等跳跃性体育运动项目中，对运动员的下肢爆发力的要求则比较高。此时，根据功率的数学表达式以及爆发力的定义可知，爆发力的大小与运动员的肌肉收缩力和收缩速度有关，因此可从这两个因素来对研究运动员的爆发力进行研究。

综上所述，体育运动与力学原理具有密切的关系，在体育运动过程中研究力学的应用能有效的、科学的促进运动员体育运动水平的提升。因此，力学在体育运动中的应用研究应引起体育工作者和物理工作者的共同关注。

参考文献：

[1]忻鼎亮.运动生物力学的发展和演变[A].第十三届全国运动生物力学学术交流大会论文汇编[C].2009.

[2]洪友廉.运动生物力学的发展方向――为大众健康服务[A].第八届全国体育科学大会论文摘要汇编(一)[C].2007.

运动生物力学的运用范文篇2

1．“惯性”的本质．惯性是物体的固有属性，不论宏大物体，还是微小粒子，不论固体、液体、气体，不论静止物体，还是运动物体，不论物体在地球上，还是在月球上．一切物体在任何时刻，任何情况下都具有惯性．这一点应讲深讲透，教师应抓住概念中的关键字“一切物体都有……的性质”，反复讲授，引导学生讨论，理解概念本身含义．教师应在下列方面讲清其内涵．惯性是物体的固有属性，既然是固有性质，就不能说物体处于匀速直线运动状态或静止状态时有惯性，而运动状态改变或所受合外力不为零时就没有惯性，也不能说惯性“仅在物体处于匀速直线运动状态或静止状态时起作用”，而“在物体运动状态改变或所受合外力不为零时不起作用”．再结合“行驶中的汽车或火车，由于惯性，不能立刻停止，即使紧急刹车，也要向前运动一段距离才能停下来”这一实例，指出“对运动物体即使加上很大的阻力，要使它停下来仍需一段时间”，正是运动物体要保持匀速直线运动状态（因而力图反抗速度减小）的性质表现；再以汽车出发时即使加大油门使牵引力很大，也不可能立刻开得很快为例阐明“对静止物体即使加上很大的推动力，要使它达到某一速度仍需一段时间”也正是静止的物体要保持静止状态（因而力图反抗速度增大）的性质表现．然后根据这两方面的表现，对照概念，使学生明确惯性是物体具有保持原有运动状态不变的一种“惰性”，即使物体受到外力作用，运动状态改变了，但它的“惰性”还是存在，因此惯性不会消灭，是物体本身具有的．

2．“惯性”与“第一定律”的区别．学生往往把牛顿第一定律的内容当做惯性概念，即“惯性”与“惯性定律”混为一谈．这也正是他们认为物体只有在不受外力作用时才有惯性．为了纠正这种错误，除了使学生能准确地叙述惯性和牛顿第一定律的内容，还应该使学生知道它们的区别：惯性是一切物体固有的属性，是不依外界（作用力）条件而改变，它始终伴随物体而存在．牛顿第一定律则是研究物体在不受外力作用时如何运动的问题，是一条运动定律，它指出了“物体保持匀速直线运动状态或静止状态”的原因．而惯性是“物体具有保持原来的匀速直线运动状态或静止状态”的特性；两者完全不同．为何牛顿第一定律又叫惯性定律，是因为定律中所描述的现象是物体的惯性的一个方面的表现，当物体受到外力作用（合外力不为零）时，物体不可能保持匀速直线运动状态或静止状态，但物体力图保持原有运动状态不变的性质（惯性）仍顽强地表现出来．

3．“惯性”与“力”的区别．学生往往把“惯性”当做力，认为“子弹离开枪口后还会继续向前运动”，“水平道路上运动着的汽车关闭发动机后还要向前运动”这些都是“惯性”这个力作用的结果等．为了纠正这种错误，可结合力的概念，要求学生去寻找施力物体，让他们碰壁，再引导学生分析惯性与力的区别：①物理意义不同；惯性是指物体具有保持静止状态或匀速直线运动状态的性质；而力是指物体对物体的作用．惯性是物体本身的属性，始终具有这种性质，它与外界条件无关；力则只有物体与物体发生相互作用时才有，离开了物体就无所谓力．②构成的要素不同：惯性只有大小，没有方向和作用点，而大小也没有具体数值，无单位；力是由大孝方向和作用点三要素构成，它的大小有具体的数值，单位是牛．③惯性是保持物体运动状态不变的性质；力作用则是改变物体的运动状态．

4．“物体惯性”与“外力作用”的辨证关系．物体原来具有某个速度，物体惯性则力图使其继续保持这一速度，但力图保持与能否保持则是不同的．当物体受到合外力为零时，物体可保持这个速度，当物体所受合外力不为零时，物体便不能再保持原来的速度，运动状态就发生了变化．物体的惯性和外力作用这一对矛盾的对立统一，形成了宏观物体的形形的各种复杂的运动．如果没有外力，物体也就没有复杂多样的运动形式；如果没有惯性，物体的运动状态改变不需要力的作用．只有当我们理解了惯性与外力作用的辨证关系，就不难解释惯性现象．例如“锤子松了，把锤把的一端在物体上撞几下，锤头就能紧套在锤柄上”这是因为锤与柄原来都向下运动，柄撞在物体上受到阻力作用，改变了它的运动状态，就停止了运动，锤头没受阻力仍保持原来运动状态，继续向下运动，这样锤头就紧套在锤柄上了．

运动生物力学的运用范文

关键词：运动生物力学；研究方法；测量手段

中图分类号：O3文献标志码：A文章编号：1673-291X（2011）04-0240-02

一、运动生物力学的发展过程

1.运动生物力学的启蒙阶段。公元前384―322年，古希腊的哲学家和科学家亚里士多德就注意观察在日常生活中人和动物运动的力学问题。15世纪末，意大利科学家列奥纳尔德・达・芬奇（LeonaardoDavid）用人的尸体研究解剖学，并在此基础上借助力学研究人体的各种姿势和运动，指出人体的运动服从于力学定律，运动生物力学的雏形。

2.运动生物力学的初步形成。20世纪，德国的布拉温（Braune）和菲舍尔（Fisher）利用解剖尸体的实验方法测定人体各部分相对重量和重心位置，并开始用动力学的方法研究人体运动。20世纪30年代，英国生理学家希尔（Hill）取青蛙的离体缝匠肌进行实验，得出著名的Hill方程，即肌肉收缩的力速方程，并由此获得诺贝尔奖，从而奠定了肌肉力学的基础。

3.运动生物力学的快速发展阶段。1972在美国宾夕法尼大学召开的第四届国际生物力学会议上将运动生物力学从生物力学中划分出来。近三十年运动生物力学得到了迅速的发展，20世纪80年代到达鼎盛时期。运动生物力学除了与解剖学、生理学结合较多外，与医学、康复结合也逐渐密切，研究成果的水平有了很大的提高。现在摄影测量已发展到三维高速录像（如美国Pea5系统），测力系统已发展到6分量测力台（如瑞士Kistler系统）、关节肌力矩测量系统（如美国Cybex系统）等，已基本形成了相对完善并互相支持的运动学、动力学和肌电测量三大系统[1-2]。研究内容已经由为奥运战略服务向竞技体育上扩展，对人体的研究，已由对人体整体运动的研究，逐渐发展到不同环节和结构的深入研究；由对人体运动的描述性研究，发展到探讨运动时神经肌肉的控制以及运动系统和感觉系统的整合。

二、运动生物力学研究方法的分类

从研究的形式上，可分为理论研究方法和实验研究方法两大类，实验研究方法又分实验室测量法和运动测量法。从研究的领域上，可分为物理学研究方法、生物学研究方法和系统研究方法。从研究材料的来源上可分为原始资料数据的采集整理和资料分析方法。研究运动项目主要以运动学和动力学研究方法为主，生物学的研究方法为辅，综合运用多种实验手段[3]。

美国的理查德・C.尼尔森把运动生物力学的研究方法大致概括为如下五种：（1）研究特定的运动项目或其中的某一环节的生物力学，这种主要对于运动员、尤其是只对某一运动专项感兴趣的教练员非常有用。（2）研究多个运动项目中共同包含的运动动作（如着地、起跑等动作）的生物力学。最大好处是建立一种一般性的理论，这个理论是建立在经典力学定律之上，或是建立在共同的神经控制模式之上。（3）被称为运动生物力学的评定方法，如从能耗观点去评价运动技术的优劣等。（4）指对某一专项运动所涉及的生理学、运动学、动力学以及专项特点等有关方面进行综合考虑。（5）讨论在运动中人体器官的生物力学。

中国的周里将研究的方法分为高速摄影（二维与三维）、录像、测力、肌电、肌力测试系统、同步测试、理论分析和CT、核磁共振其他方法[4]。

三、运动生物力学研究方法的现状分析

1.理论研究方法。运动生物力学理论研究方法的关键是建立人体运动的力学模型。理论研究方法主要是探索人体运动的规律，它的研究对象、研究目的、研究方法和研究成果均不同于实验方法。理论研究方法的研究对象是抽象的人体模型，目的是揭示运动规律，核心是经典数学力学的推导运算，结论是揭示运动的内在机理。人体运动数学模型方法是理论研究常用的主要方法。自20世纪80年代后，数学模型方法有了许多新的突破和进展，但人体运动数学模型方法在中国尚未得到广泛应用[5]。

目前运动生物力学主要是研究人体内部运动器系和表现于外部的人体整体机械运动特征。为了便于研究，运动生物力学理论方法的关键是建立人体运动的模型来描述运动。大体有两种方法：第一种方法是人体系统仿真研究方法，其代表人物是南非的力学专家Haze；第二种方法是应用多刚体系统动力学理论建立力学模型，代表人物是美国力学专家Kane。在运动生物力学研究中，大多数力学系统的运动都受牛顿运动定律控制，所以建立的模型都是牛顿力学系统的数学形式。但牛顿力学对于活体显然是不适合或不完全适合，这已被理论或实践所证实。因而牛顿力学对肌肉、骨骼、关节系统的力学特征及在解决人体运动器系和整体运动之间的因果关系，把握人体运动行为生物力学规律的体质方面还有相当困难。模型建构是指对数学力学分析所研究问题的模型建构。建构模型的基本标准是代表性、简单性和实效性。模型按其功能可分三个层次：描述性模型、解释性模型和预测性模型[5]。数学模型目前有（1）Hanavan的人体测量数学模型；（2）SantschiwL等的环节集合分布模型；（3）Zatsiorsky的数学模型；（4）中国人体模型；（5）邱亚君和李建设建立的人体二维转动惯量数学模型。

2.实验研究方法。比较成熟的测量方法有两种：一种是在实验室条件下，采用各种类型的测力计和先进的多功能肌力测量系统，对与运动有关的主要肌群进行定量测量，此法可简称为“实验室测量法”。另一种是在运动场上通过训练器械或反映运动员专项力量的训练手段，测定运动员的专项力量训练水平，此法可称为“运动测量法”。实验研究方法与理论研究方法相比较略显成熟，主要有以下特点：（1）在检测手段上随着工程技术的进步，手段越来越多样化。从“传统”的摄影技术发展到三维立体摄影，已经能更精确反映事物的运动特征，而且许多新的现代化技术装备也被应用到运动生物力学研究上，例如激光瞄准测试分析系统、爱捷运动图像分析系统、六维测力平台SAEMS-T、四导遥测肌电仪、万能材料试验机等。（2）实验室测量方法与运动场测量方法相结合[6]。

四、运动生物力学研究方法的发展趋势

未来数年运动生物力学的研究方法发展趋势可归纳为：

1.竞技体育技术测试研究方法的发展趋势，是向着适合于各个运动项目需要的、能现场及时反馈测试分析结果的仪器设备与方法和提供详细测试分析报告的仪器设备与方法两条并行的途径发展。（1）三维跟踪摄像、摄影测量方法的推广；（2）摄像、摄影精度逐步提高；（3）三维摄像、摄影测量逐步普及；（4）影像测量点识别、采集的自动化；（5）足底压力分布测试三维化；（6）运动技术测试仪器专项化、反馈快速化；（7）数学力学模型和人体运动仿真使用化等[6]；以后主要是对经典力学分析、力学模型研究、运动技术最佳化、人体运动仿真、肌肉力学模型等方面进行重点研究，使研究方法和测量手段进一步向科学化和合理化发展[7]。

2.关于模型参数的选择和确定，取决于参数的功能，即区分敏感参数和常规参数，并且使这些参数定量化和具有可比性。关于数据采集，首先是数据采集的标准化，然后是对数据进行力学分析和评价，更重要的是对所采集的数据进行模型模拟，因为模型模拟可以产生有关自变量对应变量影响的系列信息，并建立两类变量之间的数―力关系，从而为技术分析、技术控制和技术最佳化提出预测，为运动损伤、康复手段的选择提供方案[8～9]。

3.运动器系的力学负荷、负荷分布和负荷能力以及运动器官、组织和系统的材料力学是预防生物力学的基础。重力、支持力、相互作用力、介质阻力以及摩擦力可作为对运动器系的负荷。通常使用但并未充分证明是否可靠的指标有最大力、最大加速度、最大力矩、最大力梯度以及冲量、角冲量和它们的持续时间。所谓“最大”值也只是相对极限值。人体机能代偿能力的储备性决定了绝对最大值是不可计测的。近年来关于运动器械，包括鞋、服装方面的生物力学研究已引起人们的重视，这将是一个很有吸引力且富有商业价值的领域[10]。

4.测量技术、遥测技术和肌肉动力学测量技术（包括离体或在体肌肉动力学测量过程）将成为今后发展的重点，实验方法与理论模型相结合的综合研究日趋增加，主要趋向是遥测无线部分数据发射与数据采集装置的小型化和测量过程及结果分析的快速化。

5.运动损伤的研究将是生物力学新的研究领域。成都体育学院周继和教授针对运动性急性损伤或慢性损伤的腕关节，采用INSTRON8874生物力学测试系统进行人体腕关节软骨盘“压缩―扭转”试验，观察其组织结构的变化，有助于了解损伤的机制，并提出有效的防治方法。南京体育学院钱竞光教授撰写的“股骨颈受载的计算机模拟及其骨折的生物力学机理研究”通过计算机模拟方法研究不同颈干角在相同骨质条件、相同载荷下，其股骨颈的应力变化规律，探讨颈干角、骨密度与股骨颈骨折的关系。

随着运动竞技水平和运动训练科学化程度的提高，运动生物力学研究的方向也将从简单的对人体动作技术分析深入到对内在机理的探讨，随着医学科学和康复科学的发展骨科生物力学、临床生物力学、康复生物力学以及生物工程中的生物力学等将得到迅速发展，逐渐成为国际运动生物力学的主要研究领域。

参考文献：

[1]郑秀瑗.现代运动生物力学[M].北京:国防科技出版社，2002:2-4.

[2]周思红.运动生物力学研究的回顾与21世纪展望[J].山西师大体育学院学报，2000，(1):73-77.

[3]刘海斌.从三维体育观看运动生物力学研究[J].吉林体育学院学报，2004，(2):74-75.

[4]周里.中国运动生物力学研究现状分析[J].上海体育学院学报，1997，(1):23-26.

[5]赵焕彬.中国运动生物力学的研究现状与发展趋势[J].河北师范大学学报，2001，(3).

[6]武汉体育学院.第六届全国体育科学大会论文摘要汇编[G]，2000.

[7]卡斯达斯.第二十届国际运动生物力学会议论文集[C].阿根延：阿根延大学，2002.

[8]李建设.运动生物力学学科发展的几个理论问题[J].体育科学，1997，(6):77-80.