08级运动生物力学讲稿(第五章 5)

唐山师范学院体育系理论课讲稿第五章运动生物力学应用第四节走、跑、跳、投的运动生物力学分析一、走的运动生物力学分析（一）走的阶段划分：走是一项由单脚支撑和双脚支撑相互交替进行的周期性运动。周期的划分一般是以一只脚的脚尖离开地面，到这只脚的脚跟接触地面为一个周期。1、后蹬(推进)阶段：由蹬地腿弯曲位置开始后蹬，髋、膝、踝关节伸展(跖屈)，脚趾屈。这个阶段参与收缩的主要肌肉有：伸髋关节肌、伸膝关节肌、踝关节跖屈肌和屈趾肌。2、摆动阶段：由后蹬推进至脚尖离地开始，摆动腿稍折叠髋、膝、踝关节以使足向前摆动。大腿在髋关节处旋外使摆动阶段的脚趾保持在直线上运动，当股骨转至靠近行进中线时，髋关节肌收缩以保持方向，步长越大，大腿在髋关节的旋外就越明显。3、着地支撑阶段：由摆动腿脚跟着地开始，通过踝、膝、髋关节逐渐弯曲缓冲地面给人体的冲力，踝、膝、髋关节的伸肌完成离心收缩以使冲力慢慢减小。当冲力下降至足够小时，屈曲停止。下肢各关节的伸肌有一个等长收缩期，此后转入蹬伸开始下一个周期。△身体其他环节的运动动作：（1）行走时，手臂的摆动与腿的运动是相向运动，这种相向运动表现在肩轴和髋轴之间的反向转动，是保持人体行走稳定的重要动作。（2）行走时，骨盆的回旋转动，即骨盆绕支撑腿转动对步长和步态的平稳具有重要的意义，保证了足和腿的直线向前。（转动发生在两个髋关节，行走时在后面的髋关节伸展，在前面的髋关节屈曲）（3）当骨盆转动时，躯干反向转动以保证上体与运动方向一致。因此，躯干转动肌群也对走具有重要的作用。（二）走的生物力学参数：1、运动学参数： 唐山师范学院体育系理论课讲稿在一个行走周期中，其运动特征可以分为支撑时相和摆动时相。支撑时相又分为脚跟着地、趾着地、支撑中期、脚跟离地、蹬离期和趾离地等动作阶段。摆动时相分为加速期、摆动期和减速期。正常速行走时，支撑时相约占整个行走周期的60～65%。随着年龄的增长，单双支撑时相占行走周期的比例也随之增加。不同性别和身高的人，其支撑时相和摆动时相所占的比例无明显差异。（1）步长：一个行走周期内左、右足跟(或趾尖)间的纵向距离称为步长。步长与身高显著相关，且随步行的速度、步频、步态的不同而产生变化。人自然步行的步长约在15～19岁时达到最大(男子约为75cm，女子约为66cm)，随后将随年龄的增大而逐渐减小。中国青年男性的步长约为55.10～77.15cm，女性约为50.10～70.10cm。（当步长增加时，摆动腿弯曲更多，这使腿处于一个有利的用力位置，在水平方向的推进更多，因而步长增大）△步幅是一只脚脚跟连续两个支撑点相隔的距离。（2）步频：单位时间内所走的步数。当步频增加时，两次支撑的时间有所缩短，当步频进一步增加时，两次支撑阶段消失，走就变成了跑。随着两次支撑期时间的缩短，摆动期时间相应增加。2、动力学参数：行走时每个单步一侧脚触地时的垂直、前后和左右方向的反作用力可通过观察和测量力—时间曲线的特征获得，包括力值、力矩值以及相应的冲量值。如图，行走时脚与地面的接触力在垂直方向上的分力最大，每个步行周期转折点出现极值，足跟着地时有一极大值，随脚逐渐放平，受力面积逐渐增大，该力值减小，足部完全放平时力值达最小，至脚跟离地，脚趾蹬地时出现另一极大值。在整个步行周期中，垂直方向受力曲线具有典型的对称双峰性质。正常人脚—地接触力在水平、前后方向受力较小，且基本对称。（三）走的姿势分析：1、正确与不正确的行走姿势：（1）步隔与步向角： 唐山师范学院体育系理论课讲稿从脚跟到行走方向中线的距离称为步隔。脚与行走方向中线所形成的角度称为步向角。正常成人行走的步隔约为6cm。正常行走的步向角约为150。（2）“八字脚”走路：“外八字”走路，是由于髋关节向外转动肌肉张力过强造成的。导致蹬伸时的推进力不是直线向前而是斜向，使行走方向上的蹬地力减小、步长缩短（作为杠杆的脚的长度下降）。“内八字”走路，对走路的效率下降影响不大（除非脚趾向里过度弯曲），通常内八字走路主要是其姿势不协调造成的。纠正“八字脚”走路的方法是通过在走、站、坐时注意保持脚趾向前，形成习惯。2、上坡行走与下坡行走姿势：上坡行走时，步行者的重心需适当前移，上体前倾，这种前倾调节主要发生在踝关节和髋关节。有利于臀大肌工作使髋关节伸。其不利因素是使步长下降和背部伸肌工作的增加。当走步上楼时，应以全脚掌着地，因为在脚跟支撑时，小腿腓肠肌得到了休息。下坡行走时，腰椎部位和踝关节提供了向后倾斜，使重心落在支撑面之后。重力为下降提供了必要的力。步行者的自身努力主要是控制重力的影响。髋关节伸肌、腿前部伸肌群做离心收缩以控制身体的平衡，通常导致下坡走时的疲劳。3、步态生物力学研究的应用：步态是指人步行时的姿态或方式。正常步态是指健康人用自我感觉最自然、最舒服的姿势进行的行走姿态。步态受人体解剖结构、生理功能、运动控制能力以及心理状态等多种因素的影响。四肢、躯干、神经系统或某些全身性疾病，均能造成步态异常。因此，步态的生物力学研究是运动功能测量的重要组成部分。一般步态分析主要包括临床分析、运动学分析、动力学分析和动态肌电图分析等。（1）步态分析的一般方法：①根据运动学的步态时间—距离参数以及动力学参数可以推测步行的对称性和圆滑性。②根据重心位移和力的作用点轨迹可判断步行的稳定性和波动性。 唐山师范学院体育系理论课讲稿③根据步速、步频、步行持续距离等可判断其速度、节奏和持久性。△步态分析系统可以在定量的水平上用数字、图像和曲线较为精确地反映测试者的行走功能及其异常的程度，可用来识别运动微小功能的改变；步态异常时各个力的峰值和谷值，以及它们出现的时间和相位、曲线形状等均会失常；不同疾病和不同病变部位可造成的不同的异常表现。（2）步态分析的应用：①临床诊断中的应用：通过精确测量步行时的运动轨迹、关节角度、速度、周期与时相、肌电图、重心位移和功率能量消耗，客观地判断和推测患者的步态功能，并做出进一步的指导治疗方案。在临床诊断中所涉及的一些异常步态，如糖尿病足、马蹄型足、扁平足等都有其各自的参数分布规律和特征，可以应用步态测量与分析做出较为正确的诊断。②训练治疗效果的评定：股四头肌瘫痪病人不仅足地接触力有明显异常，并常有行走中的膝反屈和正常侧下肢的支撑时相延长。利用步态分析方法评价偏瘫的各种治疗已成为一种常规手段，能客观、定量地分析各种治疗效果。③行走辅助装置的设计：通过测定患者不对称步态的各项参数，与正常步态的各项参数研究比较，确定临床假肢使用者的目标步态，设计合理的行走辅助装置，是临床医学行走辅助装置设计的一般原理。（四）竞走重点技术及其分析：“竞走是运动员与地面保持接触、连续向前迈进的过程，没有肉眼可见的腾空，前腿从触地瞬间至垂直部位应该伸直(即膝关节不得弯曲)。”竞走与跑的根本区别在于走步时两脚必须与地面轮换接触，不能有腾空阶段。田径比赛规则规定：每步中，运动员在后脚离地之前，前脚必须着地，脚落地时，该腿必须有一瞬间的伸直。可见，竞走技术不同于普通行走技术，它具有明确的技术规范性。竞走中的重点技术主要包括摆动技术、支撑技术和后蹬技术。关于竞走技术： 唐山师范学院体育系理论课讲稿腿部动作是竞走技术的主要环节。前迈的腿在脚落地时要伸直，用脚跟先着地，这样可增大步长并能减小着地的制动。随着另一腿蹬地，身体重心前移，出现了单腿支撑阶段。当身体重心移至伸直的支撑腿上时，后腿屈膝摆至体侧。在人体经过垂直部位后，支撑腿由全部着地过渡到脚尖，在摆动腿前摆的配合下完成下一步的后蹬。摆动腿随着骨盆沿身体纵轴的转动，屈膝前摆，脚离地面始终较低。腿前摆时应柔和地伸直膝关节，小腿依惯性前摆并用足跟着地。此时形成短暂的双脚支撑姿势。人体重心在向前运动过程中不应有明显起伏，当重心投影点与前腿支点一致时，又出现了下一步的垂直姿势，接着又开始新的用力蹬地动作。运动员应做到步幅大、频率高，善于协调肌肉的用力和放松，走步要朴实、自然，省力而无多余动作，两脚落地的足迹应保持在一条直线上。竞走时，运动员躯干自然伸直或稍前倾。两臂屈肘约900，在体侧做前后协调有力的摆动，两臂配合下肢动作调节走的速度，走步时身体重心尽量做向前的直线运动，过大的上下起伏和左右摇摆不利于提高走速，也会消耗较多能量。现代竞走技术中的鲜明特点是突出骨盆沿身体纵轴的前后转动。1、摆动技术及其分析：摆动技术是指蹬伸结束后脚趾离地到脚跟触地过程中的摆动腿动作技术。摆动技术的要点：（1）在蹬伸结束后大腿和小腿放松折叠摆动，以减小摆动腿的转动惯量，同时充分利用蹬地获得的支反力和腿部肌肉拉长后的弹性回缩力，增加摆动的角速度。（2）当摆动至与支撑腿重合时，以大腿带动小腿前摆，髋关节加大旋转帮助大腿前摆，对侧手臂向前上方偏中线摆动，同侧手臂用力后摆，使髋轴和肩轴达到最大的反转角度，以在增加步长和速度的同时保持身体的平衡。2、支撑技术及其分析：支撑技术是指摆动结束后，脚跟着地到脚趾离地过程中的支撑腿动作技术。由于竞走中“前腿从触地瞬间至垂直部位膝关节伸直”的技术规定，决定了支撑腿不可屈膝缓冲，其触地的反作用力不可避免地对身体起到了减速作用。因此，完成支撑阶段动作的要领是脚的柔和而迅速的滚动，脊柱适当弯曲使重心投影偏向支撑腿一侧。3、后蹬技术及其分析：后蹬技术开始于支撑腿的垂直位置，竞走的后蹬技术完全不同于跑的后蹬，动作的完成主要通过踝关节和趾关节的用力蹬伸来实现(髋关节和膝关节由于处于伸直状态伸展受到限制)。二、跑的生物力学分析（一）跑的动作过程：跑与走的两个明显不同是：①跑动中，有一个身体不与地面接触的阶段，即身体腾空阶段； 唐山师范学院体育系理论课讲稿②跑动中，没有两脚与地面同时接触的阶段。跑步是全身运动，是由身体各部位的活动所构成。跑一般可分为折叠前摆、下压准备着地、着地缓冲和后蹬四个阶段。（二）跑的生物力学特征：1、运动学特征：（1）人体整体的运动学—跑速：决定跑速的因素是步长和步频，要增加跑速，必须增加其一或两个因素均增加。步长主要取决于腿的长度和腿部肌肉的爆发力及髋关节的柔韧性；步频主要取决于肌肉的收缩速度和中枢系统的灵活性以及神经肌肉的协调。 唐山师范学院体育系理论课讲稿不同跑的运动学特征各不相同，同一个人在不同跑速时，运动学特征也不同。主要表现在以下四个方面的差异：①脚与地面接触的程度和方式不同：如在慢跑时，全脚掌着地，脚底在每一步与地面接触时，是从脚掌的前内侧到脚跟。当跑速增加时，脚与地面的接触相应减少，全速时只有前脚掌触地，即所谓的短跑者用“脚趾跑”。②腿部关节弯曲和伸展的程度不同：在慢跑时，全身各关节的运动幅度相对较小，跑步者手臂位置较低。当跑速增加时，手臂和腿的各关节的弯曲和伸展增多，同时其他关节的运动也增加，显然手臂运动的位置较高。③身体倾斜的程度不同：在慢跑时，跑步者身体是前倾较小（“竖直的”），在全速跑时，典型的短跑者身体向前倾斜约与垂直面成150。向前倾斜通常自然地来自推进力的增加，有意识地增加倾斜往往是没有必要的，这会造成腿前摆的困难。然而，在跑步的教学中让跑步者注意向前倾斜仍然是必要的。④时间特征不同：主要表现在支撑期和腾空期的比例不同，一般来说慢跑的支撑期较长，而腾空期较短。与脚与地面接触的程度和方式不同有关。（2）人体环节的运动学：不同跑的空间特征主要表现在各关节的运动幅度(包括蹬地腿、摆动腿、上肢和躯干)、蹬地角、着地角等不同而形成的步长差异。慢跑时下肢蹬伸和摆动活动幅度较小，因而步长较小，而快跑时相对下肢各关节的运动幅度增加，步长较大，而且步频也随跑速的增加而加大。如图为四种不同跑速下肢各关节角度的变化曲线。2、动力学特征： 唐山师范学院体育系理论课讲稿（1）跑的动力：后蹬阶段地面给人体的摩擦力（可理解为地面反作用力的水平分力）。地面反作用力的大小主要与跑步者蹬伸用力的大小和方向以及摆动腿的摆动和手臂摆动的加速度大小（摆动腿和手臂的有效摆动可增加地面的反作用力）等有关。同时地面反作用力的方向也影响着跑步的步长和身体重心起伏的幅度。△后蹬阶段受力分析：①后蹬角决定了F1和F2的大小（F一定时）。其中F1是人体水平前进的动力，F2的作用是给人体向上的支撑作用。通过平移，可知F1使人体产生向前的加速度和使人体后翻。F2使重心升高，同时使人体产生向前的翻转力矩。②提高F1和减小F2是增加跑动实效性的必须。这就要求减小后蹬角。现代屈蹬跑技术可以有效的减小后蹬角。同时由于F2的减小，还可减小人体前翻力矩，使人体不致过度前倾，有利于摆动腿的充分摆动和大腿高抬，并避免人体重心起伏过大，避免不必要的能耗和腾空时间过长造成频率减慢。讨论：现代屈蹬跑技术的特点和生物力学意义。屈蹬跑技术是指短跑途中跑后蹬阶段支撑腿在膝关节略微弯曲时蹬离地面的一种跑动技术。现代研究表明膝关节角度一般不超过1650。其生物力学意义在于：①减小后蹬角，使支反力的水平分力加大，进而加大了人体前进的动力。②缩短了后蹬时间，有利于提高支反力。③加大了屈膝肌群的动力臂，从而加大屈膝力矩，为由支撑过渡到摆动以及大小腿折叠作好充分准备。④适合塑胶跑道粘弹性体的性质，使人体能较好的利用跑道的弹性。（2）跑的阻力：①着地缓冲时地面的反作用力（支反力的水平分力，方向向后），其大小与着地缓冲动作技术密切相关。②空气阻力，其大小主要与人体与空气相对速度的大小、迎面面积等有关。 唐山师范学院体育系理论课讲稿△前撑阶段受力分析：①F1‘的方向水平向后，利用力的平移原理，可将F1‘移至人体重心C，并附加一力偶。可见其作用有二，其一是阻碍人体前进，其二是使人体产生绕身体重心的前翻力矩。②减小F1‘是跑动技术的要求，增大着地角和减小足的着地速度可以减小F1‘。动作方法是摆动腿的积极下压扒地动作。（同时F1‘并非越小越好）。③F2‘的方向竖直向上，其作用是给人体向上的支撑作用，同时使人体产生绕重心的后翻力矩，平衡F1‘给人体的前翻力矩。（三）体育运动中各种跑的生物力学分析：1、短跑：（1）项目特征：短跑属于爆发力项目。其运动能力取决于人体快速有力的两腿交替蹬摆带动身体前进的能力。其技术要求较其他跑最高、最复杂。短跑时，身体各环节的运动幅度在所有跑中是最大的，尤其是摆动腿的摆动和髋关节、肩关节的活动幅度。短跑的速度主要取决于：①腿部伸肌的功率(力和速度的乘积)能力，以产生更大的推进力，从而有效增加步长；②身体各环节运动的协调(疾跑运动技术)能力，是影响步频的主要因素。△短跑速度发展的高峰期为，男子约20岁，女子约18岁，超过此年龄跑速再增加会受到很大的限制。（2）短跑的技术要求及其生物力学原理（有助于提高跑步的效率）：①膝与趾在跑时应向前，反之往其他任何方向将会造成功率降低。②摆动腿脚落地时，身体重力作用线应在步迹的脚跟之内，反之，将会导致功率的降低和整个身体的晃动。③快跑时整个身体应向前倾斜约150，速度减小，倾斜减小。若倾斜太大，则蹬地力的水平分力太大，使人体前翻力矩较大，易向前摔倒，同时影响摆动腿的摆动；倾斜太小，蹬地力的垂直分力太大，使跑步者的重心上下起伏较大，腾空时间较长，影响步频和造成竖直方向上较大的能量损失。④手臂摆动应靠近身体，向前摆超过胸部，手臂的摆动应绕肩关节进行，肘关节只能有微小的运动，手掌伸直，以增加摆动效果。⑤躯干和髋关节的转动应恰当，以便扩大步长。2、中距离跑： 唐山师范学院体育系理论课讲稿与短跑相比，中跑是速度较快、跑动较放松、关节运动幅度较小的一种跑步形式。跑动中身体向前倾斜减小，脚触地面积增加。中跑对运动员的耐力、速度耐力、绝对速度要求均较高。3、长跑：长跑跑速较慢，更强调放松和舒适的姿势，有利于节省能量。长跑关节活动和倾斜更小，脚触地面积最大。氧运输系统的机能能力是决定长跑成绩的主要因素，同时全程以平稳的速度跑，是影响长跑成绩的另一个因素，其原因是人体能量的节省化。三、跳跃动作的生物力学分析（一）跳跃动作概述：1、跳跃动作的一般过程：跳跃动作是人体运用自身的能力或借助一定的器材，通过一定的运动形式，使人体腾越尽可能的高度或远度的运动。跳跃项目一般是周期性和非周期性相结合的混合性运动。各种跳跃项目虽然运动形式和要求不同，但均是从人体的水平位移转变为抛体运动，都可以划分为四个紧密相连的技术阶段：（1）助跑阶段：人体水平位移阶段；（原地跳跃项目无助跑动作过程）（2）起跳阶段：人体由水平位移向抛体运动的转变，进入抛体运动阶段；（3）腾空阶段：人体做抛体运动阶段；（4）落地阶段：人体做抛体运动后的下落着地阶段。在以上四个阶段中，助跑和起跳阶段是影响跳跃成绩的主要阶段，其中起跳阶段技术又是跳跃技术的关键部分。2、跳跃动作的运动生物力学原理：（1）作用力与反作用力原理：跳跃的动力来自于支撑反作用力，作用力与反作用力的大小、方向决定了起跳速度和角度。同时凡是降低最大支撑反作用力的因素，诸如，没有足够的摩擦力或坚实的支撑面，任一个关节或两个关节的不充分伸展都会影响其最大腾空能力。（2）肌肉活动顺序原理：跳跃运动都有相同形式的肌肉活动顺序，在动作过程中，主要起跳力来自于支撑腿，均开始于髋伸，其次是膝伸、踝以及足的伸展(跖屈)和趾屈。（3）动量和动量矩传递原理： 唐山师范学院体育系理论课讲稿跳跃时，手臂、肩、摆动腿等的摆动动作使其动量(矩)部分或全部的传递给支撑腿和躯干，遵循动量(矩)的传递原理。摆动动作优先于蹬伸动作，摆动身体的动量(矩)传递产生其最大影响是在支撑腿离开地面瞬间，否则，摆动效果下降。3、影响跳跃的主要生物力学因素：（1）主动肌的功率（爆发力）：最大跳跃距离(或高度)常被用来进行功率测试。功率是力与速度(速率)的结合，是决定跳跃项目成绩的最主要因素，尤其是下肢蹬伸功率（爆发力），即主动肌收缩力与速度的乘积，对跳跃的腾空影响最大。（2）身体重心的高度：无论是跳高、跳远、跨栏或者篮球、排球等运动的跳跃动作，拥有较高重心个体的优势是显而易见的。在决定跳跃高度与远度的起跳诸因素中，起跳高度是影响跳跃高度与远度的重要因素之一。（女子在跳跃项目中成绩不如男子，起跳重心较低是因素之一）同时，重心较高的另一个有利因素是骨杠杆较长，在其末端能产生较大的线速度(假设角速度不变)。（3）体重：体重增加会使阻力增加（因肥胖超重对跳跃的成绩十分不利），强壮的肌肉也增加体重，使阻力增加，但由于肌肉力量的增加对运动的有利影响可能超过其不利的影响。资料：手里拿小哑铃跳远的研究显示，增加上肢环节的质量对增加跳远成绩有显著的意义。对动量传递具有显著的意义。（4）关节的运动幅度：关节的运动幅度是指关节的运动范围，关节的运动幅度会影响跳跃中助跑的速度，也会影响特定跳跃动作的幅度，从而影响跳跃的成绩。（但不同跳跃对关节的运动幅度有不同的要求）（二）跳远的运动生物力学分析：1、跳远成绩的距离组成及影响因素：跳远的运动成绩可视为三个分距离之和：起跳距离、腾空距离和落地距离。起跳距离取决于运动员的踏板准确性、身高和腾起瞬间的身体姿势；决定腾空距离的是斜抛运动的四个因素：腾起初速度、腾起角度、腾起时的高度和飞行中空气的阻力。 唐山师范学院体育系理论课讲稿落地距离取决于运动员触沙面瞬间的身体姿势和为防止身体后倒所做的动作。2、跳远动作的阶段划分：跳远技术根据其动作的结构特征一般分为相互衔接的四个部分：助跑、起跳、腾空和落地。（1）助跑：助跑的目的是获得水平速度，并为准确踏板和快速有力的起跳做准备。助跑距离取决于运动员起跳时对速度的控制能力和保持固定步幅的能力。随着助跑距离的加长(步数增多)，出现误差的可能性就会增大。实践中为了兼顾速度和准确性的不同要求，大多数优秀运动员采用40～50m的助跑距离，大约17～23步。（2）起跳：起跳的作用是在尽量保持水平速度的同时获得垂直速度，创造尽可能大的腾起初速度。起跳阶段可分为三个动作阶段：起跳脚的着地、缓冲准备和蹬伸摆动。 唐山师范学院体育系理论课讲稿（3）腾空：运动员进入腾空阶段后的任务是采取合适的身体姿势，为落地做准备。由于跳远起跳时，偏心力矩使身体产生向前方的旋转，腾空阶段的任务就是尽量减小这种转动对人体平衡的影响。普遍采用的空中技术有蹲踞式、挺身式和走步式三种，其中后两种技术在保持身体的平衡方面比蹲踞式效果好。（4）落地：从起跳后，运动员身体重心的轨迹已经决定。但在跳远时，身体重心的落点要比足跟的落点更远一些。因此，减小身体重心落点和足跟落点的距离是落地技术的主要任务之一。3、跳远起跳技术的生物力学分析：起跳动作的目的是在人体保持一定水平速度的情况下，获得尽可能大的垂直速度。（起跳技术的实质是使运动员如何在使水平速度损失较小的情况下获得尽可能大的垂直速度）其基本动作过程由着地缓冲、蹬伸和摆动三个动作构成，按照起跳腿的动作过程，起跳动作又是由放脚（着地）、缓冲和蹬伸三个阶段构成。在助跑的最后一步，起跳脚着地时(一般是足跟先着地)，微屈髋、膝、踝各关节，以缓冲地面的冲击，并使起跳腿形成准备用力的姿势。然后，随着重心的前移超过起跳脚时，两臂和摆动腿积极上摆，同时起跳腿的髋、膝、踝各关节用力蹬伸，蹬伸的反作用力使身体腾起。（1）着地缓冲：助跑最后一步，起跳脚积极主动地着地。这既可减少着地时的冲击力，又为着地后快速前移身体做准备。起跳脚着地时，足跟与足掌几乎同时接触地面。着地瞬间，身体与地面的夹角为90～1070，小腿与地面的夹角约650左右，膝关节角度为175～1780。接着起跳脚屈膝缓冲，积极前移身体，为蹬伸创造条件。资料显示，优秀运动员起跳缓冲时膝关节的角度为138～1450，主要取决于运动员的技术和力量训练水平。△日本金原勇实验证实：踏跳腿膝关节在140～1500时发挥的蹬地力最大，为体重的5倍。因此指出跳高踏跳腿最大缓冲时膝角不能小于1300。踝关节力量的最大值为体重的3～4倍，为膝关节最大力量的70～80%，在提踵时当足底与地面成200角后，踝关节力量显著下降。因此在踏跳时不能过早提踵，伸踝时间必须迟于伸膝时间。同时有利于肌肉的克制性收缩和避免肌肉的松驰而提高蹬地力。 唐山师范学院体育系理论课讲稿（2）蹬伸：起跳蹬伸时，整个身体快速向上伸展，起跳腿的髋、膝、踝各关节充分用力蹬伸。上体和头部保持正直，以充分利用起跳腿产生的力量。起跳蹬伸时的速度矢量，直接影响腾起初速度的大小和方向。蹬伸动作越快越充分，腾起的初速度和腾起角越大，跳远成绩越好。世界优秀运动员的起跳角在730左右，腾起角在200左右。若起跳角小于700，说明起跳偏迟，从而减小了起跳时的垂直冲量。由于运动员在短暂的起跳时间内(约O.11～0.13s)不可能产生很大的垂直速度，因此腾起角远小于抛体远度的最佳角450。（3）摆动：跳远起跳过程中的摆动动作对增加起跳时的地面反作用力、提高起跳时的重心高度、增强起跳效果具有重要的意义。在起跳腿蹬伸的同时，摆动腿用力往前上方摆动，大腿摆至水平或高于水平部位（优秀运动员两大腿的夹角为106～1140），小腿自然下垂；双臂同时向前摆起，并在蹬伸结束前瞬间制动，在实现动量矩传递的同时，减小蹬伸腿踝关节的阻力矩。①日本金原勇测定：两臂和摆动腿的向上摆动可使重心的相对位置提高23厘米，直腿摆比屈腿摆高3厘米。②表：三所体院测试摆动的重心提高数量（女子身体柔韧性和踝关节灵活性较高）摆臂摆腿提踵合计女生5.02cm6.40cm7.27cm18.69cm男生6.37cm6.11cm5.06cm17.54cm△力学要求：两臂快速有力的加速上摆，摆动腿屈腿加速上摆，并在蹬伸即将离地时，摆动腿和双臂制动。（三）体育运动中其他跳跃动作的生物力学分析：（自学P203--208）1、原地跳跃动作的生物力学分析。2、助跑跳跃动作的生物力学分析。四、投掷的生物力学分析（一）投掷动作过程及阶段划分： 唐山师范学院体育系理论课讲稿投掷是人体运用自身的能力，通过一定的运动形式，将手持的规定器械进行抛射并尽可能获得远度的运动项目。各种投掷项目虽然器械、场地、运动形式等不同，但均可分为以下四个紧密相连的技术阶段。（1）准备阶段，包括握持器械和预备姿势；（2）预加速阶段，由于器械、场地等条件不同，预加速阶段有助跑、滑步、旋转等多种形式；（3）最后用力阶段，由人体携持器械水平位移向器械抛射运动转变及器械抛射运动的阶段，是投掷动作的关键；（4）结束阶段，器械出手后的身体平衡阶段。（二）投掷运动的力学原理和影响因素（以田径投掷项目为例）：1、力学原理：（1）动量定理和动量传递：△讨论：投掷最后用力阶段“超越器械”动作的力学原理和生物力学意义。“超越器械”动作是指投掷最后用力阶段，身体向前超出器械或器械落后于人体的动作。力学原理：动量定理：，由动量定理可知，为了加大器械动量的变化量，即提高出手速度，必须加大投掷冲量，即加大和△t。超越器械动作可实现此目的。①通过超越器械动作可增加最后用力的工作距离，进而增加了力的作用时间Δt，因而可增加投掷冲量。②超越器械动作可以增加肌肉力量，即增大最后用力的力量。因为超越器械动作使投掷相关用力肌群充分拉长，增加肌肉的主动收缩力和弹性形变力。△分析动量的传递：人体运动中动量守恒很少，因为，但可实现动量传递。①设系统外力=0，动量守恒（如图）人与球一起运动，速度是V1，人突然停下来，的速度是，那么：A：与有关，越大时，也越大。（加滑步、助跑等。）B：与有关，即制动环节质量与继续运动环节质量之比。可见 唐山师范学院体育系理论课讲稿越大越好。②，研究出手速度时用动量定理。→主动用力+制动传递的动量（加助跑）因此：对于投掷运动而言，助跑、滑步、旋转和最后用力都是不可缺少的。（2）动量矩定理和动量矩传递：（如掷铁饼）加大肌肉的冲量矩，以加大转动效果。同时利用投掷过程中由下向上的依次制动，可实现动量矩的传递。由可知：A、加大（力量训练，增加肌肉收缩前的初长度）B、加大（肌力臂，主要通过加大肌拉力角增加肌力臂）C、延长（3）关节活动的顺序性原理（大关节带动小关节活动原理）2、影响因素：（1）出手速度v0：出手速度是出手瞬间抛射物的速度。当出手角度和高度不变时，出手速度的大小决定了抛射物的飞行高度(垂直位移的最高点)和远度(最大水平位移)。出手速度越大，飞行高度越高，射程越远。（2）出手角度θ：出手角度是出手瞬间投掷物（器械）的速度方向和水平面之间的夹角。投掷的目的决定了出手角度的大小。在不考虑空气动力的情况下，所有的抛射物的飞行轨迹是一条由出手角度大小决定的抛物线。出手点高度h=O时，最大射程的最佳出手角度为450。对于更多的出手高度h≠0（h﹥0）的情况而言，最佳出手角度总是小于450。（3）出手高度h：出手高度是出手瞬间投掷物（器械）相对于落点的高度。大多数体育运动中的抛射物的落点高于或低于出手点，即出手高度h≠0，如推铅球当出手速度和出手角度一定时，出手点高度越高，则飞行时间越长，远度和最大高度就越大。 唐山师范学院体育系理论课讲稿（4）空气动力学的影响：在诸如掷标枪、掷铁饼和投掷旋转或有接缝的球等一些投掷项目中，抛射物的空气动力学特性对其飞行轨迹有明显的影响。计算远度和最佳出手参数时必须更多地考虑作用于抛射物的空气动力。如物体出手时的角速度（如铁饼的旋转角速度以及标枪的上下、左右转动角速度）、攻角、倾角以及标枪上下、左右晃动的角度等对投掷飞行的影响。（5）最佳出手条件和出手参数的相互影响：许多投掷项目可以在一定范围内计算最佳出手条件和出手参数，以获得尽量大的远度或高度，如最佳出手速度或出手高度以及旋转速度等。但它们却与某些项目的最好成绩所实际记录的角度不完全一致，甚至在飞行轨迹最接近抛物线的铅球中也一样。原因是计算最佳出手角度时，是假定出手速度和出手角度两者互相独立。然而，对铅球运动员来说，由于其肌肉的形态和结构决定了推铅球的出手速度，因而出手速度和出手角度并不相互独立。出手速度较大时，推铅球获得较大射程时的出手角度约为350，小于最佳出手角度。如果铅球运动员为了追求铅球飞行阶段的时间而增加出手角度以接近最佳角度，则反而会造成出手速度和远度的减小。说明最佳出手条件和出手参数是相对的，且相互影响。（三）推铅球的生物力学分析：1、推铅球成绩的计算及其影响因素：成绩S由三个部分组成：一是器械出手点的投影点到丈量成绩的起点之间的水平距离S1；二是器械出手点高度到出手点高度水平线与器械飞行抛物线的交点之间的水平距离S2；三是出手点高度水平线与器械飞行抛物线的交点的投影点到器械落地点之间的水平距离S3。2、推铅球技术动作过程：推铅球技术因采用的滑步动作不同，可分为侧向滑步推铅球、背向滑步推铅球和旋转推铅球三种。以右手背向滑步推铅球为例，完整的背向滑步推铅球可分为开始姿势、滑步、最后用力和换步平衡四个部分。 唐山师范学院体育系理论课讲稿（1）开始姿势：推铅球的开始姿势，运动员以右脚尖贴近投掷圈后沿，背对投掷方向。将身体重心移至右脚上方，由右腿支承身体重力和铅球重力。躯干正直，左脚以脚尖在右脚跟后方20～30cm着地，左臂成接近垂直的放松姿势。铅球放在右手手指的指根上，拇指和小指贴在球的两侧以保持球的稳定，并将球抵于颈部，掌心向前，右肘微抬起，右上臂与躯干约成900角。左臂成放松姿势，是为了对整个身体的平衡进行微小的调整，左脚脚尖点地，通过调整地面支反力维持身体平衡。右手用手指指根握球有利于最后用力时屈腕和屈指肌的用力。（2）滑步：运动员从开始姿势开始做一系列动作完成滑步：躯干前倾，左腿向后上方摆，然后左腿向前下方摆动，同时屈右腿的髋、膝、踝各关节成团身姿势；重心后移，左腿用力向后朝投掷圈前沿摆动，蹬伸右腿伸展膝关节和踝关节。①准备姿势：躯干的前倾与左腿的后摆及左腿前摆与右腿的弯曲，共同构成了滑步前的准备姿势。这两个动作一方面使身体在运动中保持平衡，另一方面则是降低了铅球的位置，从而加长了出手前对铅球施力的距离。更重要的是这种姿势能使背部和支撑腿伸肌预先拉长，加大了收缩力量。②滑步：重心后移、左腿用力向后朝投掷圈前沿摆动、蹬伸右腿伸展膝关节和踝关节构成滑步动作。重心的后移由两髋的后移开始，它使身体开始滑向投掷圈前沿。 唐山师范学院体育系理论课讲稿当左腿用力向后朝投掷圈前沿摆动、重心位置进一步后移时，伸展右腿膝关节和踝关节。这使得右腿的蹬伸是向投掷圈前沿而不是向上，以产生滑步的水平速度。右腿的蹬伸动作一完成，右脚就以接近地面的高度迅速移至圈心附近、身体重心的正下方。右脚落地后，左脚很快落地，落地点靠近抵趾板，略微偏向投掷线的一边。不同的个体在右腿蹬伸和右脚落地的方向、方式和移动距离方面有较大的差别。在出手前，所有身体环节应与原地推相同。腿和躯干应保持足够弯曲以便为最后用力提供有利的时间和空间，显然，如果在最后用力前关节已伸直，肌肉的作用将大大减小。滑步过程中上体的姿势对投掷成绩有相当大的影响。如果运动员头部和躯干过早转向投掷方向，在最后用力时就会显著减小作用于铅球的力及其作用距离。因此，在滑步过程中，上体的姿势应相对不变，即保持背向的姿势。（3）最后用力：右脚一落在圈心附近，就开始了最后用力动作。推铅球的主要用力来自于以下的身体运动：①右腿各关节的蹬伸；②髋关节和躯干的转动；③右臂肩关节的水平屈；④右臂肘关节的伸；⑤右臂腕、指关节的屈；⑥左臂的伸和外展。①准备部分：从左脚落地到身体形成侧弓，右手臂、上体和头保持不动，仅是依靠右膝的内扣、右腿的侧蹬形成转髋和送髋的最后用力准备姿势，即超越器械动作。由于上体和头的不转动，躯干扭转使身体左侧的肌肉群处于拉紧状态，为最后用力和右腿蹬伸的动量向躯干和右手臂传递创造了有利的条件。 唐山师范学院体育系理论课讲稿②加速部分：躯干形成侧弓后，在左腿有力的支撑下，利用躯干肌肉的弹性反振作用，顺势转肩伸臂完成投掷动作。在最后用力过程中，保持左腿的有力支撑特别重要，它可提高躯干绕额状轴和垂直轴的转动效率。保持铅球在指尖出手能加长用力的杠杆(假定手指能克服推时的阻力)，若手指缺乏足够的力量，则放在指尖反会造成失败。左臂在最后用力中通过向上、向左、向下的摆动，起到协助身体完成左侧支撑和加长推球手臂的用力距离的重要作用。（4）换步平衡：铅球一出手，运动员顺势反转右脚向前支持身体重量，左脚向后摆向投掷圈中心。采用这种换步姿势，目的是为了使运动员在铅球离手后留在圈内，维持身体平衡，防止犯规。左腿的后摆能产生一种方向相反的转动反作用，使运动员的重心后移，离开身体支撑面的前缘。使运动时身体处于平衡的有利状态。3、推铅球动作的力学特征：推铅球的主要目的是获得尽可能大的远度。假定推铅球时出手角度是正确的，距离则主要取决于出手速度，而出手速度主要取决于运动员的爆发力(力与速度的结合)和使用技术的完善、熟练程度。因此铅球运动员的训练重点是爆发力（力量和速度）训练和专项技术训练。（1）铅球受力特征：推铅球动作过程中人体作用于铅球的力（铅球所受的受力）在滑步结束时几乎下降为零，在左脚触地后的最后用力过程中又迅速增加，出手前达到最大值。（2）人体受力特征：利用测力台可以测定地面反作用力的大小与方向（与运动员对地面作用力的等大反向）①开始和滑步阶段：在开始阶段作用于右脚的地面反作用力的垂直和水平分量先逐渐增加，随后突然降至零。（在优秀铅球运动员中，这种逐渐增加和突然下降更明显；相对而言，低水平运动员的力曲线具有波动性的特点，反映了其下肢左、右腿活动的同步性较差） 唐山师范学院体育系理论课讲稿②最后用力阶段：A：对最后用力阶段作用于右脚的地面反作用力垂直和水平分力的大小和持续时间随运动员技术水平的变化而变化。（优秀运动员的垂直和水平分力曲线高而陡，而且在缓冲阶段即着地后膝关节弯曲时力值下降较小）B：垂直分力：有两个主要峰值，随后其数值逐渐下降，直至脚离开地面。（当运动员足与地面开始接触时，垂直分力很大，在一些运动员中，这个值是其身体重量的3～4倍）第一次峰值的大小直接与滑步技术和右腿随后的运动有关。高水平铅球运动员与地面接触快速、有力，其垂直分力—时间曲线的第一次波形表现为更陡峭。表明垂直分力的增加率比其峰值更能反映运动员的技术水平。在垂直分力第一次峰值后，有一个很小的下降，随后又开始增加。随着技术水平的提高，第一次峰值后的下降数量减少，同时第二次峰值继续增加，增加值超过运动员身体重量的65～75%。第二次峰值与右膝开始伸展基本同时。C：水平分力：作用于右脚的地面反作用力水平分力(在投掷方向的)三次改变其方向。 唐山师范学院体育系理论课讲稿在滑步后右脚着地时，反作用力的方向指向投掷圈后方(表现为负向波)；然后方向改变(即指向投掷方向)，有利于投掷方向的运动；最后，在右脚离地前，水平分力再次改变方向。滑步后在右脚着地时向后的水平反作用力可达700～800N（平均值为436±146N），使水平速度明显下降，阻碍运动员在投掷圈中的向前运动。该力的峰值及持续时间，随训练水平的提高而下降。（当推铅球在出手方向上的运动受阻时，滑步推铅球实际上变成了原地推铅球。）作用于右脚的正向地面反作用力水平分力，指向投掷方向，因而使铅球和运动员在投掷圈内的运动加快。随着训练水平的提高，水平分力的峰值增加，在一流的铅球运动员中可达500～600N。（四）体育运动中其他投掷运动的生物力学分析：（自学P216-218）1、下手投掷。2、侧手投掷。3、上手投掷。4、推。本章复习思考题：1、解释稳定平衡、有限稳定平衡、补偿运动、稳定角、起跳速度、起跳角、马格努斯效应、步隔、步向角、出手角度。2、怎样理解人体平衡的力学原理和平衡条件？3、根据平衡的稳度，举例说明人体平衡的分类及其各类平衡的特点。4、举例说明影响人体平衡稳定性的力学因素和评定人体平衡稳定性的力学参数（常用指标）。5、试分析人体平衡与物体平衡的差异（人体平衡的生物学特点）。6、试对燕式平衡和吊环十字支撑进行运动生物力学分析。7、简述蹲踞式起跑的平衡特点和人体容易向前摔倒的原因？8、影响投掷远度的运动学因素有哪些？作简单分析。9、影响跳远远度的运动学因素有哪些？作简单分析。10、怎样理解流体质点、流体连续介质模型、运动状态等效原则、流线、流管、升力等流体运动分析理论的基本概念及其在流体力学研究中的意义？11、简述流体的连续原理和伯努力方程的内容及其物理意义。12、试分析形成足球弧线球和乒乓球削球、弧圈球的力学条件和力学机制？13、什么是投掷角、倾角和攻角？试分析铁饼和标枪在空气中飞行的力学特征和影响因素。 唐山师范学院体育系理论课讲稿14、举人体实例说明帕斯卡原理。15、怎样理解层流、湍流、涡旋等流体的流动形式及其力学特性？16、游泳的阻力包括哪几种？试分析各种游泳阻力的特征和影响因素。17、游泳的动力有哪几种？试分析游泳动力的力学特性，并简述自由泳曲线划水的生物力学意义？18、简述走的动作过程（阶段划分）和在每一阶段的动作特征。19、简述走的运动学和动力学特征（参数特征）。20、简述竞走与跑的区别和竞走的技术要点。21、简述决定步长和步频的主要因素和不同距离跑时的生物力学特点。22、试分析跑的动力和阻力来源及其作用与特征。23、简述现代屈蹬跑技术的特点和生物力学意义。24、简述跳跃项目的基本生物力学原理和影响跳跃的主要生物力学因素。25、试对跳远进行运动生物力学分析（阶段划分、各阶段的目的、起跳技术动作的力学特征）。26、试分析投掷运动的力学原理和影响因素。27、什么是“超越器械”动作？试分析论述投掷最后用力阶段“超越器械”动作的力学原理和生物力学意义。28、试对推铅球动作进行运动生物力学分析。作业：复习思考题中第1、7、12、16、17、21、22、23、27。