第四章人体平衡生物力学1

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章人体平衡的生物力学分析,第一节 人体平衡动作的力学原理,人体的平衡状态,是指人体在完成静力性动作过程中处于相对静止的状态。这里的平衡既包括静态平衡，也包括动态平衡。,一、基本概念,(一)力与力系,力,是物体之间的相互作用。力有大小、方向和作用点，力是矢量，在对力进行描述时，不但要指明力的大小，还必须指明力的方向。在实际分析一个力时，必须明确该力的三要素。,在实际体育运动中作用于人体的力常常不是单一的力在起作用，而是由两个以上的力组成的力系在起作用，所以我们在研究人体或器械的平衡问题时，首先要对研究的对象“隔离”出来进行受力分析，即确定研究对象都受到哪些力的作用。,第四章人体平衡的生物力学分析,第一节 人体平衡动作的力学原理,一、基本概念,(二),力的可传性原理,力可沿其作用线任意移动，而不改变其对物体的效应。这一性质称为力的可传性。,如上图（,1,），球的重力,G,作用点在球心,O,点，地面对球的支撑反作用力,N,作用点在球与地面的接触处,A,点，但,N,作用线的延长线也通过球心,O,点。如果在,O,点加上一对平衡力和，它们对物体没有什么影响，现使三力大小相等，则,N,和的大小相等，方向相反且共线，即可作为一对平衡力而取消，则只剩下,O,点的力和,G,，,这就将,A,点的力沿其作用线移动到了球心,O,点，这一性质就称为力的可传性。这样我们可把图（,1,）和图（,2,）的力都沿其作用线移到球心上。,图(1),图(2),第四章人体平衡的生物力学分析,第一节 人体平衡动作的力学原理,一、基本概念,(二),力的可传性原理,第四章人体平衡的生物力学分析,第一节 人体平衡动作的力学原理,一、基本概念,(三)力矩、力偶和力偶矩,(1)力矩的概念：,力矩亦称“转矩”（力对点之矩）。表示力对物体作用时产生转动效果的物理量。物体受力绕某点或定轴转动时，力的转动效果除了取决于力的大小和方向外，还取决于所绕定点或定轴到力的作用线的距离。,Z,Z,图(3),图(4),第四章人体平衡的生物力学分析,第一节 人体平衡动作的力学原理,一、基本概念,(三)力矩、力偶和力偶矩,(1)力矩的概念：,如图（,3,）所示力,F,在垂直转轴,OZ,平面内，,O,是平面内的任一点，,d,是,O,点至力,F,作用线的垂直距离（称为力臂），则,F,对于,O,点的力矩是,F,与,d,的乘积，以符号,M,表示。则有,M,F.d,如图（,4,）所示力,F,不在垂直转轴,OZ,平面内，这时可把力,F,分解为与转轴平行的力,F,1,，,及垂直转轴平面内的分力,F,2,。,F,2,与转轴的垂直距离为,d,，,使物体产生转动的力矩为,F,2,d,。,实践证明，只有与轴既不平行，也不相交的力才能使物体转动，而且起作用仅是该力在垂直转轴,OZ,平面内的分力。,根据力矩的定义可知力矩的大小和方向取决于力的大小和其相对于转轴的位置。力矩的单位是牛顿米。,第四章人体平衡的生物力学分析,第一节 人体平衡动作的力学原理,一、基本概念,(三)力矩、力偶和力偶矩,(2),力偶和力偶矩的概念,通常我们把两个大小相等、方向相反、,作用线互相平行但不重合的两个力(,F,及,F),作用在物体上，使物体发生转动.，这一对力称为力偶。它们是反向平行力的一种特殊情况，不能求得它们的合力。力偶作用在刚体上，能改变刚体的转动状态。例如,图4-6，,汽车司机用双手转动方向盘所施的力就是一个力偶,。,力偶矩：力与力偶臂的乘积称为力偶矩。力偶的转动效应决定于力偶矩，力偶中一个力的大小,F,乘以两个力作用线之间的垂直距离,d,，,即,Fd,。,使物体产生逆时针方向转动时力偶矩取正值；反之为负值。通常力偶矩用符号,M,表示：,M,Fd,。,第四章人体平衡的生物力学分析,第一节 人体平衡动作的力学原理,一、基本概念,(四),力的平移定理,在分析运动时，往往需要了解力对整个人体的作用情况，通常把力平移到重心上加以分析。当力的作用线或其延长线通过重心时，根据力的可传性可直接移动到重心上，但如果力的作用线或其延长线不通过重心时，要直接把该力平移到重心上，是否会改变力对身体的作用效果呢？现在我们来看下面的问题：如图（5）和图（6）所示：,如果力,F,通过刚体中心,B,点（图（5），刚体可产生移动，若将,F,平移到,C,点（图（6），则刚体除了产生平动外还要转动，显然力,F,平移后与原来作用不等效，那么如何才能等效呢？,第四章人体平衡的生物力学分析,第一节 人体平衡动作的力学原理,一、基本概念,(四),力的平移定理,如图4-7：设有力,F,作用于,A,点，现任取一点,B,并在,B,点加反向的两个力和，使其大小均等于,F,，,作用线与,F,平行。由于和是一平衡力系，故,F,、,的作用与,F,单独作用等效。但,F,与可视为一力偶，因此作用于,A,点的力,F,可用作用于,B,点的力和力偶矩,M,Fd,来代替。,第四章人体平衡的生物力学分析,第一节 人体平衡动作的力学原理,一、基本概念,(五),受力分析,为了清楚地表示研究对象的受力情况，就有必要把所研究的对象从周围的物体中分离出来。即将研究对象单独画出，并表示出周围物体作用于它的全部外力，这样的图称为受力图。在画受力图时，要注意除重力以外，只考虑与研究对象相接触的物体对于它的作用力，不要漏画力，也不能任意添加力。例如：静止在桌面上的小球只受重力和桌面对它的支撑反作用力的作用,第四章人体平衡的生物力学分析,第一节 人体平衡动作的力学原理,举例,例：如图，某人手持铅球水平平衡，已知铅球重,G,，,前臂与手共重,W,，,肱二头肌的肌拉力角为,a,，,还已知如图所示的,d,b,c,的距离，求肱二头肌的肌拉力,F,和肘关节处的约束反力,Nx,和,Ny,。,第四章人体平衡的生物力学分析,第一节 人体平衡动作的力学原理,三、力系的简化与平衡,（二,）,共面力系的简化与平衡(举例）,解：以前臂、手和铅球为对象，此研究对象所受的力为平面一般力系的平衡问题，利用人体平衡方程组，对,O,点有：,所以，,Nx,为正，,Ny,为负。,