第五节 人体运动系统的生物力学

运动生物力学的基本理论概述运动生物力学biomechanics应用力学原理和方法研究生物体的外在机械运动的生物力学分支。

狭义的运动生物力学研究体育运动中人体的运动规律。

按照力学观点,人体或一般生物体的运动是神经系统、肌肉系统和骨骼系统协同工作的结果。

神经系统控制肌肉系统,产生对骨骼系统的作用力以完成各种机械动作。

运动生物力学的任务是研究人体或一般生物体在外界力和内部受控的肌力作用下的机械运动规律,它不讨论神经、肌肉和骨骼系统的内部机制,后者属于神经生理学、软组织力学和骨力学的研究范畴(生物固体力学)。

在运动生物力学中,神经系统的控制和反馈过程以简明的控制规律代替,肌肉活动简化为受控的力矩发生器,作为研究对象的人体模型可忽略肌肉变形对质量分布的影响,简化为由多个刚性环节组成的多刚体系统。

相邻环节之间以关节相连接,在受控的肌力作用下产生围绕关节的相对转动,并影响系统的整体运动。

对于人体运动的研究最早可追溯到15世纪达·芬奇在力学和解剖学基础上对人体运动器官的形态和机能的解释。

18世纪已出现对猫在空中转体现象的实验和理论研究。

运动生物力学作为一门学科是20世纪60年代在体育运动、计算技术和实验技术蓬勃发展的推动下形成的。

70年代中H.哈兹将人体的神经-肌肉-骨骼大系统作为研究对象,利用复杂的数学模型进行数值计算,以解释最基本的实验现象。

T.R.凯恩将描述人体运动的坐标区分为内变量和外变量,前者描述肢体的相对运动,为可控变量;后者描述人体的整体运动,由动力学方程确定。

这种简化的研究方法有可能将力学原理直接用于人体实际运动的仿真和理论分析。

由于生物体存在个体之间的差异性,实验研究在运动生物力学中占有特殊重要地位。

实验运动生物力学利用高速摄影和计算机解析、光电计时器、加速度计、关节角变化、肌电仪和测力台等工具量测人体运动过程中各环节的运动学参数以及外力和内力的变化规律。

在实践中,运动生物力学主要用于确定各专项体育运动的技术原理,作为运动员的技术诊断和改进训练方法的理论依据。

人体运动生物力学分析生物力学是人类研究机体结构和运动规律的一门学科，它涉及了力学、生理学和解剖学等多个学科。

在人体运动方面，生物力学能够帮助我们理解人体的运动规律，从而减少运动损伤、提高运动表现等。

人体运动的生物力学分析可以分为静态和动态两个方面。

静态的生物力学分析主要是在静止的状态下，通过测量和计算人体的力学参量，如重量、力矩和压力等，来分析人体各部分的结构和功能特征。

例如，通过对人体轮廓和肌肉结构的分析，可以了解到不同个体之间的形态和大小变异，从而为定制体育器材或医疗器械提供基础数据。

动态的生物力学分析则主要是针对人体在运动状态下的生物力学状态进行分析。

这种分析方法可以通过计算和测量运动中的各种参量，如运动的速度、加速度、力矩、力量和能量等来反映人体在运动过程中的运动规律和运动学特征。

例如，在田径比赛中，通过对选手步伐的分析，可以在一个循环周期内精确地计算出他们的步频和步幅，从而更好地了解和优化运动的节奏。

除了运动学之外，生物力学还可以用来研究人体在运动过程中的动力学特征。

在运动过程中，人体的肌肉和骨骼系统会相互作用，产生力量和阻力，从而实现运动。

生物力学可以通过模拟和计算人体的肌肉力量、关节强度和动力学特征等参量，帮助我们更好地理解人体在运动中的顺畅性、稳定性和效率性。

举个例子，我们可以考虑在一个跑步的场景中，我们如何对人体进行生物力学分析。

首先，我们可以通过对身体接触地面的压力分析，了解人体在跑步时承受的压力大小和分布。

接着，我们可以通过运动和位置传感器测量人体的运动学参数，例如，步速、步长和步宽等。

最后，我们可以利用人体动力学分析来计算肌肉和关节的力量和力矩，并将这些信息与跑步表现相结合，从而进行更好的运动优化和预防运动损伤的方法。

总的来说，人体运动生物力学分析是一种研究人体运动规律和生理特征的重要方法。

它可以帮助我们更好地了解人体在运动中的力学状态和最佳运动方式，从而更好地保护和提高人体健康。

运动生物力学运动生物力学是研究生物体在运动过程中所受到的力学效应及其变化规律的学科。

它综合运用生物学、物理学和力学原理，旨在揭示生物体在运动中的运动规律、力学特性以及对运动性能的影响。

一、引言运动是生命的基本属性之一，无论是人类还是动物，在日常生活中或者进行专业运动训练时，身体的各个组成部分都会发挥各自的特性，协同工作来实现运动的目标。

在运动过程中，运动生物力学通过量化分析生物体的力学原理和运动机制，帮助我们更好地了解运动的本质和规律。

二、运动生物力学的研究对象1. 人体运动生物力学人体运动生物力学是研究人类运动机能与运动方式之间的关系，以及不同因素对人体运动表现的影响。

它包括人体力学、人体骨骼肌肉系统的力学特性以及人体运动控制等方面的研究。

通过对人体运动的力学特性的研究，我们可以深入了解人体在不同运动状态下的运动规律和调控机制。

2. 动物运动生物力学动物运动生物力学是研究动物运动机制、力学特性以及运动适应性的学科。

不同种类的动物在生存和繁衍过程中，都会进行各种类型的运动，如捕食、逃避、繁殖等。

通过运动生物力学的研究，我们可以揭示动物在不同运动状态下的动作规律、运动策略以及运动适应性等。

三、运动生物力学的应用1. 运动训练与康复运动生物力学为运动训练和康复提供了科学依据。

通过对运动的力学特性的分析，运动生物力学可以帮助运动员或者康复者更好地掌握正确的运动方式和姿势，减少运动损伤的风险，提高运动技能和康复效果。

2. 设备设计与评估运动生物力学可以应用于运动器械和装备的设计与评估。

通过分析不同运动环境下的力学特性，可以为设备的改进和研发提供指导，并评估设备对运动表现和运动风险的影响。

3. 运动生理与运动医学研究运动生物力学为运动生理和运动医学的研究提供了重要的理论基础。

通过对运动过程中的力学变化和机制的研究，可以揭示运动对器官功能、代谢过程以及心血管系统等的影响，进一步推动运动生理学和运动医学领域的发展。

人体运动学与生物力学随着科技的发展以及人们生活水平的提高，越来越多的人开始关注健康问题。

而人体运动学与生物力学则是运动学科学中非常重要的两个分支，对我们理解人体运动有重要的意义。

一、人体运动学1、什么是人体运动学？人体运动学，顾名思义就是对人体运动的学科进行研究。

从最简单的行走到最复杂的体育项目，人体运动学都是解析和评估每项运动的力量、变形、速度等。

可以说，人体运动学是一种运动科学，它揭示了人体骨骼、肌肉和关节在运动中的运动机理。

2、人体运动学的研究对象人体运动学研究的对象主要集中在人体的外部运动，包括步态、跑步、慢跑、跳跃、投掷、举重、交通运输和空气空间中的活动，以及体育运动和医疗康复等领域。

3、人体运动学的应用人体运动学在日常生活和医学、工程等领域有很广泛的应用，例如，它可以帮助运动员提高运动能力，比如跑步的效率、击球的力量、水肺的吸氧等；在康复方面可以帮助人们恢复身体功能，例如，针对膝盖、肩膀和脊柱的康复；在工程方面可以帮助设计师更好地设计各种产品，例如，汽车座椅、电子游戏、鞋子等。

二、生物力学1、什么是生物力学？生物力学是研究生物体运动和力量的学科。

生物力学主要基于物理学和数学原理，分析并评估运动时生物系统和力的相互作用，可以得出更准确的定量分析结果。

生物力学主要研究生物体的静力学和动力学，从宏观和微观两个层面对生物体力学问题进行全面解析。

2、生物力学的研究方向生物力学主要研究三个方向：(1) 运动学：研究生物体运动时各关节的角度和各部分的速度、加速度等。

通过运动学的方法，可以比较好地了解生物体在运动中肢体部分运动规律，为解决一些运动难题提供了一定的基础。

(2) 动力学：研究生物体受到力量时（例如重力、肌肉收缩力等）的反应。

通过动力学的研究，可以了解生物体在运动中所受到的应力和扭矩等，从而推断出其对于人体的影响。

(3) 仿生学: 将生物体静力学、动力学的原理应用于机器设计与现代工具的应用中，开发出一系列新型机器、道具、工具等。

人体运动的生物力学原理人类是地球上最为复杂和精密的生物之一。

作为一个高度进化的物种，我们的身体以独特而多样的方式运动。

在深入探究人体运动的过程中，生物力学是关键的科学原理。

由于人体的最终目的是执行运动，我们必须了解身体是如何运作的，以更好地掌握这一科学原理。

在人体运动的生物力学原理探究中，我们将看到身体机能，运动的基本学说和身体结构，以及它们如何相互作用以创造人体运动。

身体机能身体机能是体内各个部分协同工作，以使人体保持均衡和活力的各种过程。

例如，一颗健康的心脏通过有效的心脏收缩和舒张来驱动血液循环。

同样，健康的肌肉和骨骼相互作用来完成运动、保持均衡和支撑身体。

这些过程是高度协调的，并要求各种生理系统紧密合作。

运动基本学说新运动基本学说是与身体机能紧密相连的。

这些原则可以用于指导最佳训练计划，以帮助人们增强身体的功能和效率，缓解疼痛和创伤，并提高运动表现。

以下是几个基本学说的例子:- 节律：身体的活动要有一个明确的节奏，以保持均衡和适当的限制。

- 魅力：在运动中，我们必须保持适当的安全距离，这样才不会受伤。

- 调和：全身的协调是非常重要的，需要各个组件紧密协作。

身体结构：骨骼与肌肉人体骨骼结构的主要功能是支撑和保护身体内部的重要器官。

而肌肉则是驱动身体进行各种运动的关键力量。

这些器官之间互相作用，形成了一个完整的身体结构系统。

在骨骼结构中，骨骼组织可以分为三类: 紧实骨、空隙骨和平面骨。

骨骼组织紧密结合并与肌肉有机地相互作用，实现了身体的各种复杂运动。

在肌肉结构方面，肌肉可以分为体表肌和深层肌。

体表肌是最能被察觉的肌肉，因为它们直接位于人体表面。

它们负责产生身体外部的动作，如运动和姿态控制。

深层肌是体表肌下面的肌肉，它们起到了稳定和控制骨骼的主要作用。

肌肉和骨骼之间的联系由肌腱负责维持。

它们是强大而坚韧的结构，将肌肉紧密连接到骨骼上。

这种联系使肌肉能够在运动和运动过程中产生强大的力量和压力。

结论在人体运动的生物力学原理探究中，我们看到了身体机能，运动的基本原则和身体结构的骨骼和肌肉之间的联系。

人体运动系统力学研究人体运动系统力学研究是一个科研领域，涉及到了人类身体的生物力学和运动学。

其主要研究对象是人体运动，包括运动的产生机理、运动技术的改善、运动创伤的预防和治疗等方面。

本文就人体运动系统力学研究进行探讨。

一、人体骨骼肌肉结构人体骨骼肌肉结构是人体中最基本的结构之一。

骨骼肌肉由肌纤维组成，肌纤维由肌原纤维组成，肌原纤维又由肌纤维束组成。

肌纤维束连接到骨骼上，并通过肌腱向骨骼传递力量。

不同的肌纤维束可以用于不同的施力方向，以适应不同的运动需求。

二、运动的生物力学运动的生物力学是人体运动系统力学研究的重要组成部分。

它研究的是人体的生成力量以及与周围环境的相互作用。

生物力学研究的主要内容包括力、重心和运动轨迹等方面。

通过研究物体的动态学和静态学，可以确定运动的力量和动作的正确性，以及预测创伤风险等因素。

三、人体姿势与运动控制人体姿势和运动控制是人体运动系统力学研究的另一个核心问题。

它考虑的是人类的生理特征、神经控制和运动学习等因素，以及运动的多样性、动作协调和运动影响动作等方面。

通过研究人体的生理特征和神经控制，可以确定不同运动模式和动作控制方式的最佳组合方式。

四、运动创伤预防和治疗运动创伤是运动系统中一个主要问题。

而运动创伤预防和治疗是人体运动系统力学研究的重要部分。

它研究的是运动创伤的形成机理、危险性和工作条件，以及预防和治疗方法等方面。

通过研究运动创伤的机理和危险性，可以确定预防创伤的方式，如改变工作条件、改变运动方式等。

同时，也可以研究和改进治疗方法，如物理疗法、手术治疗等。

五、人体运动系统力学研究的应用人体运动系统力学研究的应用非常广泛。

它涉及到体育运动、海军、航空、汽车和工业领域等。

在体育运动方面，人体运动系统力学研究可以应用在竞技体育、训练和恢复健康方面。

在海军领域，它可以用来预测海况和风暴导致的危险性，以及提高水手们的工作效率。

而在航空、汽车和工业领域，人体运动系统力学研究可以用来改进设计，减少事故和肌肉骨骼系统创伤的风险。

人体运动控制系统的生物力学特征人体是一个非常复杂的生物系统，其中包括各种不同的器官、组织和功能，这些都是互相紧密联系的。

人体的一个重要方面是运动控制系统，它包括肌肉、骨骼、神经系统等部分。

这些部分一起协调工作，使人体能够进行各种不同的动作和活动。

人体运动控制系统的生物力学特征主要有三个方面：肌肉力量、协调性和适应性。

肌肉力量是指肌肉产生的力量大小。

肌肉的力量取决于多种因素，包括肌肉纤维数量、长度和类型等。

肌肉也可以通过练习来增加力量，这是一种适应性过程。

在进行运动时，不仅需要有足够的肌肉力量，还需要肌肉的协调性。

协调性是指肌肉进行动作时的整体协调性。

这包括多种因素，如动作的流畅度、力量的平衡和节奏感等。

提高协调性可以使运动更加高效和优美。

适应性是指运动控制系统对不同环境和负荷的适应能力。

对于经常进行某种运动的人，他们的运动控制系统会适应和改变以达到更好的表现。

这种适应性也可以通过训练来改善和提高。

肌肉是运动控制系统的重要组成部分。

肌肉由肌纤维组成，肌纤维又由肌微丝组成。

肌肉的收缩是由神经系统控制的。

神经系统向肌肉发送信号，使肌肉收缩。

肌肉的力量大小取决于肌微丝的数量和类型，以及肌肉细胞的长度。

肌肉力量的改变可以通过练习来达到，练习会使肌肉纤维增加。

除了肌肉力量外，肌肉协调性也是非常重要的。

协调性是指肌肉进行动作时的整体协调性。

协调性的改变可以通过杂交和足球等活动进行训练。

这些活动可以提高人们的协调性和灵活性，使运动更加高效和流畅。

适应性是指运动控制系统对不同环境和负荷的适应能力。

适应性主要包括两个方面：运动适应性和荷载适应性。

运动适应性是指体部位对某种运动的适应能力。

例如，长跑选手的身体对长时间的有氧运动有更好的适应性。

荷载适应性是指人体对负荷的适应能力。

举重选手在经过长时间的训练后，肌肉逐渐适应负载，力量也随之增加。

总之，人体运动控制系统的生物力学特征是非常复杂的。

肌肉力量、协调性和适应性等因素都在运动中起着非常重要的作用。

第5章人体生物力学与施力特征5.1 人体运动与骨杠杆5.1.1 人体运动系统运动系统是人体完成各种动作和从事生产劳动的器官系统。

有以下三部分组成：◆骨—运动的杠杆◆关节—运动的枢纽◆肌肉—运动的动力5.1.2 骨的功能和骨杠杆1.骨的功能2.骨杠杆，见图5-1根据支点，力点（动力点）、重点（阻力点）三者不同的位置分布，分为：◆平衡杠杆，见图5-1（a）◆省力杠杆，见图5-1（b）◆速度杠杆：用力大，但运动速度快，，见图5-1（c）由等功原理，得之于力则失之于速度，反之亦然。

因此，最大的力量与最大的运动范围两者是相矛盾的。

5.2 人体生物力学模型5.2.1 人体生物力学建模原理生物力学模型的基本原理建立在牛顿的三大定律基础上：◆物体在无外力作用下会保持匀速直线运动或静止状态；◆物体的加速度跟所受到的合外力的大小成正比；◆两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反，作用在同一条直线上，5.2.2 前臂和手的生物力学模型分析身体的各个部位能得出相关关节和肌肉的受力情况，如一个人前臂平举、双手拿起20Kg的物体，此状态的受力情况如图5-2所示：5.2.3 举物时腰部生物力学模型在举起重物工作中，脊柱的作用力大小受很多因素的影响，主要考虑影响最显著的两个因素——货物的重力和货物的位置到脊柱重心的距离。

如图5-3所示：5.3 人体的施力特征5.3.1 主要关节的活动范围关节的活动范围有一定的限度，人体处于舒适时，关节必然处在一定的舒适调节范围内。

见图5-4，其数值范围见表5-1.5.3.2 肢体的出力范围肌体所能发挥的力量大小取决于：◆人体肌肉的生理特征◆施力的姿势、部位、方式和方向，分别见图5-5、5-6、5-7。

5.3.3 人体不同姿势的施力人体所处的姿势是影响施力的重要因素，在不同姿势下的施力状态如图5-8所示。

5.4 合理施力的设计思路5.4.1 避免静态肌肉施力设计要点如下：1.避免弯腰及其它不自然的姿势，见图5-9（a）2.避免长时间抬手作业，见图5-9（b）3.坐姿工作比立姿工作省力4.双手作业时，手的运动方向相反或不对称5.作业位置与视距的关系，见图5-106.常用工具、零件、材料与操作者的位置关系7.手在较高位置作业时，应增设支承物8.利用重力作用，见图5-115.4.2 避免弯腰提起重物用不同的方法来提起重物，对腰部负重的影响不同，如图5-12。

人机学基础——人体生物力学特性制作：孟现柱mengxz12@本节目录•一、人体生物力学的一般知识•二、人体各部分的操纵力•三、人体活动的速度和准确度一、人体生物力学的一般知识•运动系统中的骨骼、关节和肌肉在神经系统支配下，使人体各部分完成一系列的运动。

网球运动员主要肌肉群的透视图1）人体骨骼全图•骨骼由颅骨、躯干骨、四肢骨三部分组成，全身约有206块骨。

是人体内部的支撑结构。

2）人体骨骼特点•1、在一定范围内，骨的应力—应变关系服从虎克定律。

•2、骨的密度比钢小得多，其强度也不如钢的大，但比花岗岩和洋松要高得多，具有强度高、重量轻的特点。

•3、人体各部位骨的抗压强度最大，抗弯强度次之，抗扭强度最小。

这对人体负重、搬运的研究和受力设计具有特别意义。

3）骨杠杆•人体运动中，骨骼在肌肉牵引下绕关节转动，它的原理、结构和功能与杠杆类似，因此叫骨杠杆。

在骨杠杆中，关节是支点，肌肉是力源，肌肉与骨的附着点称为力点，作用于骨上的阻力的作用点称为重点（即阻力点）。

3）骨杠杆•人体活动中主要的骨杠杆形式：•（1）平衡骨杠杆。

人体支点位于重点与力点之间，类似天平秤的原理，例如通过寰枕关节调节头的姿势的运动。

3）骨杠杆•（2）速度骨杠杆，力点在重点和支点之间，阻力臂大于力臂，例如手执重物时肘的运动，此类杠杆的运动在人体中较常见。

3）骨杠杆•(3)省力骨杠杆。

此类骨杠杆的重点位于力点与支点之间，例如足跟踩关节的运动。

（二）关节•关节起骨间连接且能活动的作用。

根据关节的活动范围，关节分为：球窝关节（可一个方向旋转，如肩关节和髋关节），滑车关节（只能向前或向后旋转，肘关节和指关节），微动关节（只能允许平面间或往返的运动，脊椎骨间关节）。

肌肉平滑肌心肌骨骼肌(横纹肌，有639块)慢缩红肌快缩红肌快缩白肌•肌肉拉伤指肌肉主动强烈的收缩或被动过度的拉长所造成的肌肉细微损伤或部分撕裂或完全断裂。

•肌肉萎缩指骨骼肌体积的缩小，可由于肌纤维变细或消失，是许多神经肌肉疾病的重要症状和体征。