運(yùn)動技術(shù)的生物力學(xué)原理精選(九篇)

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第1篇：運(yùn)動技術(shù)的生物力學(xué)原理范文

關(guān)鍵詞：乒乓球；運(yùn)動生物力學(xué)；研究方法；研究領(lǐng)域

中圖分類號：G804.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1007-3612(2007)10-1381-03

隨著現(xiàn)代科技水平的不斷提高，運(yùn)動生物力學(xué)研究手段與方法也不斷地更新，研究內(nèi)容和層次不斷深入、系統(tǒng)，運(yùn)動生物力學(xué)的研究方法在許多運(yùn)動項目中有了廣泛的應(yīng)用，對于認(rèn)識運(yùn)動項目技術(shù)的規(guī)律和提高運(yùn)動技術(shù)水平，起到了重要的作用。

對于運(yùn)動生物力學(xué)的原理和方法在乒乓球運(yùn)動項目中的應(yīng)用，國內(nèi)外已進(jìn)行了許多研究，但已有的研究不夠系統(tǒng)和深入，所用的運(yùn)動生物力學(xué)研究方法比較單一，乒乓球?qū)ｍ椈倪\(yùn)動生物力學(xué)儀器很少，對于乒乓球與球臺或球拍碰撞的原理、乒乓球飛行的運(yùn)動狀態(tài)、乒乓球動作技術(shù)原理等有些方面揭示得還不夠全面或尚未揭示，對于運(yùn)動器材、服裝的研究很少。

近年來，國際乒聯(lián)對乒乓球競賽規(guī)則的三大改革，以及現(xiàn)代世界乒乓球技術(shù)的迅猛發(fā)展，都要求我們要借助于科技的力量和手段，更加全面地、深刻地認(rèn)識乒乓球運(yùn)動的規(guī)律，不斷地更新觀念，技術(shù)上不斷創(chuàng)新進(jìn)步，訓(xùn)練方法上要更加科學(xué)合理，以促進(jìn)乒乓球運(yùn)動的發(fā)展。本文根據(jù)乒乓球運(yùn)動專項運(yùn)動生物力學(xué)研究的現(xiàn)狀、運(yùn)動生物力學(xué)學(xué)科發(fā)展趨勢、以及乒乓球運(yùn)動發(fā)展的實際需求，對運(yùn)動生物力學(xué)在乒乓球運(yùn)動中應(yīng)用的研究領(lǐng)域和研究方法的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望，以期對乒乓球運(yùn)動規(guī)律有更加深刻而全面的認(rèn)識，為運(yùn)動生物力學(xué)如何更好地結(jié)合乒乓球?qū)ｍ椞攸c為乒乓球運(yùn)動實踐服務(wù)提供借鑒。

1運(yùn)動生物力學(xué)在乒乓球運(yùn)動中應(yīng)用的研究領(lǐng)域的展望

從運(yùn)動生物力學(xué)角度來看，乒乓球運(yùn)動是通過乒乓球和球拍位置的變化（平動和轉(zhuǎn)動）與運(yùn)動員機(jī)體的活動相結(jié)合的一項運(yùn)動。運(yùn)動員的擊球動作使球拍和球碰撞后，擊出的球以一定的動量、動量矩落到對方臺面，與臺面發(fā)生碰撞，反彈后再與對方的球拍相碰撞。歸納起來，乒乓球項目中的運(yùn)動包括：運(yùn)動員的運(yùn)動（動作技術(shù)）、乒乓球在空中的運(yùn)動（速度、旋轉(zhuǎn)、弧線）、乒乓球的碰撞運(yùn)動（乒乓球與球臺或球拍碰撞）。對乒乓球這三個方面的運(yùn)動生物力學(xué)研究分析需要一定的設(shè)備儀器與方法。與乒乓球運(yùn)動相關(guān)聯(lián)的還有球、球臺、球拍等器材以及運(yùn)動員的服裝。

以往對乒乓球運(yùn)動的運(yùn)動生物力學(xué)研究在上述方面已進(jìn)行過一定的研究，但對于乒乓球與球臺或球拍碰撞的原理、乒乓球飛行的運(yùn)動狀態(tài)、乒乓球動作技術(shù)原理等有些方面尚未揭示，或揭示得還不夠全面，對于運(yùn)動器材、服裝的研究很少。根據(jù)運(yùn)動生物力學(xué)和乒乓球運(yùn)動的發(fā)展趨勢，運(yùn)動生物力學(xué)在乒乓球運(yùn)動中應(yīng)用的研究領(lǐng)域，可以預(yù)計運(yùn)動技術(shù)研究仍將會占較大比例，同時，在全民健身、運(yùn)動醫(yī)學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)、運(yùn)動器材、服裝及實驗儀器設(shè)備等方面也會開展研制。具體可以開展以下幾個方面的研究：

1） 動作技術(shù)診斷；

2） 乒乓球與球拍碰撞、與球臺碰撞的研究；

3） 對乒乓球拍運(yùn)動的研究；

4） 乒乓球拍、乒乓球運(yùn)動鞋的研制與優(yōu)化；

5） 乒乓球運(yùn)動員肌肉、骨骼力學(xué)特性的研究；

6） 乒乓球?qū)ｍ棞y試儀器的開發(fā)；

7） 乒乓球運(yùn)動員損傷機(jī)理和預(yù)防的研究。

2運(yùn)動生物力學(xué)研究方法在乒乓球運(yùn)動中的應(yīng)用與展望

按研究方法劃分，運(yùn)動生物力學(xué)應(yīng)用在乒乓球運(yùn)動中的研究大體可分為兩類: 一是力學(xué)理論研究方法，二是實驗研究方法。兩者應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合，才能使運(yùn)動生物力學(xué)更好地在運(yùn)動實踐中應(yīng)用。

2.1運(yùn)動生物力學(xué)的力學(xué)理論研究方法在乒乓球運(yùn)動項目中的應(yīng)用與展望該研究方法因為是通過模擬手段對人體運(yùn)動仿真，一般包括5個步驟：1) 確定運(yùn)動恃征，建立目標(biāo)函數(shù)；2) 選擇模型確定剛體的自由度；3) 建立動力學(xué)模型（拉氏方法、Kane方法、雅各賓法等）；4) 實測已知數(shù)據(jù)并求解；5) 根據(jù)求解結(jié)果解釋運(yùn)動規(guī)律，這一步驟是將求得的數(shù)學(xué)規(guī)律化為體育運(yùn)動語言對運(yùn)動技術(shù)進(jìn)行合理的指導(dǎo)。

縱觀運(yùn)動生物力學(xué)在乒乓球運(yùn)動中應(yīng)用的現(xiàn)狀，可以看到，以往用的最多的是運(yùn)用力學(xué)原理對一些現(xiàn)象進(jìn)行解釋。而利用力學(xué)理論研究的方法卻很少。根據(jù)此研究方法，可以對乒乓球中許多問題進(jìn)行研究。

如對于乒乓球運(yùn)動員的傷病的研究，至今還沒有在擊球過程中對腕、肘、肩關(guān)節(jié)、頸椎、腰椎等的關(guān)節(jié)力和力矩的定量分析，而對其認(rèn)識有助于對乒乓球運(yùn)動員運(yùn)動損傷的認(rèn)識和預(yù)防。可以利用力學(xué)理論研究的方法對關(guān)節(jié)力和力矩進(jìn)行推算。以計算上肢各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力和力矩為例。首先確定乒乓球運(yùn)動員擊球過程中上肢的運(yùn)動特征。二、建立上肢模型，整個上肢可分為上臂、前臂和手（包括器械）三個部分，根據(jù)上肢實際的生理結(jié)構(gòu)和以往生物力學(xué)建模的經(jīng)驗，可將人體上肢簡化為3剛體7自由度的物理模型。三、運(yùn)用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的Kane方法，建立系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方程，四、通過攝像的方法獲取上肢的運(yùn)動學(xué)參數(shù)以及鄭秀媛公布的人體環(huán)節(jié)參數(shù)，求出腕、肘、肩關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力和力矩。五、根據(jù)關(guān)節(jié)力和力矩對乒乓球運(yùn)動員的傷病進(jìn)行認(rèn)識。

2.2運(yùn)動生物力學(xué)的實驗研究方法在乒乓球運(yùn)動中的應(yīng)用和展望運(yùn)動生物力的實驗研究方法在乒乓球運(yùn)動項目中應(yīng)用現(xiàn)狀是，動力學(xué)研究幾乎沒有，運(yùn)動學(xué)測試也不多，所運(yùn)用到的生物力學(xué)儀器很少。所以實驗研究方法在乒乓球運(yùn)動項目中有極大的發(fā)展空間。

2.2.1常用的生物力學(xué)儀器將在乒乓球項目中的廣泛應(yīng)用許多已經(jīng)在其他專項中運(yùn)用較為廣泛的生物力學(xué)儀器在乒乓球運(yùn)動項目中尚未廣泛使用。比如，三維測力臺，肌電儀，足底壓力鞋墊。

三維測力臺可以反映地面對人體的反作用力。運(yùn)動員擊球的力最終是通過人體蹬地面，同時地面給人體的反作用力而實現(xiàn)的。而對乒乓球運(yùn)動員地面反作用力的動力學(xué)特征的描述至今尚無。

通過在運(yùn)動員的鞋子里放上壓力鞋墊，可以得出在移動過程中，腳底壓力的分布圖，可以為乒乓球運(yùn)動員鞋子的設(shè)計提供參數(shù)。

通過肌電儀可對完成某動作所參與的肌肉活動的強(qiáng)度和時間進(jìn)行描述，確定主要的參與肌群。用在乒乓球運(yùn)動員身上，就可以很清楚的知道完成某動作的肌肉用力順序是什么，哪些是主動肌，哪些是被動肌，可為力量訓(xùn)練提供參考。

2.2.2開發(fā)乒乓球?qū)ｍ椈⒎答伩焖倩倪\(yùn)動技術(shù)測試儀器這是運(yùn)動生物力學(xué)測試儀器的發(fā)展趨勢，至今為止，在乒乓球界中尚無有此類測試儀器的研發(fā)成功。近年來其他運(yùn)動項目共用運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)及生物學(xué)指標(biāo)，測試儀器的質(zhì)量、功能、效率不斷提高，同時，某些運(yùn)動項目專用的測試儀器不斷出現(xiàn)。例如，體操項目單杠、雙杠、高低杠、跳馬、吊環(huán)的測力系統(tǒng)、賽艇多參數(shù)遙測分析系統(tǒng)、起跑蹬力測試系統(tǒng)、蹬冰力測試系統(tǒng)、游泳出發(fā)測力系統(tǒng)等。

其他專項的研究可為乒乓球?qū)ｍ椈臏y試儀器提供借鑒，比如考慮是否可以在乒乓球拍上安裝加速度傳感儀。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，加速度傳感器體積和質(zhì)量都可以做到非常小，精度可以達(dá)到很高，此儀器可以實時監(jiān)控球拍三個方向上的速度、加速度和角速度，并可據(jù)此推算球拍的受力情況，以及擊打乒乓球后，球體獲得的初速度。而對乒乓球拍的運(yùn)動情況的所做的研究非常之少。

如果這些設(shè)想可以實現(xiàn)的話，將豐富乒乓球理論知識，對乒乓球運(yùn)動的實踐將會有快捷的幫助。

2.2.3多機(jī)同步測試的研究多機(jī)同步測試研究是運(yùn)動生物力學(xué)研究的發(fā)展趨勢。人體運(yùn)動十分復(fù)雜，因此，多機(jī)同步測試方法對各項運(yùn)動技術(shù)研究十分重要。由于多機(jī)同步測試研究需要的儀器多、經(jīng)費(fèi)多、時間長、技術(shù)人員多，而且多數(shù)動力學(xué)指標(biāo)和生物學(xué)指標(biāo)的測試在正式大賽中很難進(jìn)行，所以，多機(jī)同步研究的報道較少。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和對運(yùn)動技術(shù)研究的深入，多機(jī)同步測試研究將會得到較快發(fā)展。

對于乒乓球這項精密的運(yùn)動，以往的研究多是從一維的視角來進(jìn)行的，對乒乓球運(yùn)動的生物力學(xué)的研究應(yīng)朝著多維的研究視角發(fā)展。比如，將攝像系統(tǒng)和測力臺系統(tǒng)同步的測試方法，綜合運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的數(shù)據(jù)對乒乓球運(yùn)動進(jìn)行更加深入、全面的認(rèn)識。

2.2.4生物反饋技術(shù)將在乒乓球運(yùn)動技術(shù)訓(xùn)練中應(yīng)用運(yùn)動生物力學(xué)測試中提供給運(yùn)動員、教練員的技術(shù)動作的速度、幅度、方向、力量等指標(biāo)數(shù)據(jù)，運(yùn)動員在訓(xùn)練中很難掌握，如將測試的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成聲、光信號直接提示給運(yùn)動員，表示其當(dāng)前的動作是否達(dá)到了要求或某個范圍，運(yùn)動員接收到聲、光信號后，便馬上做出反應(yīng)，調(diào)整動作的幅度、強(qiáng)度、速度等就容易得多。這方面研究在其他專項中已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，例如北京體育大學(xué)金季春教授指導(dǎo)其博士生閆松華所研制的用于短跑訓(xùn)練的“測試鞋”，對每一步的著地時間和騰空時間進(jìn)行實時監(jiān)控，正朝著生物反饋的方向發(fā)展。

生物反饋技術(shù)在乒乓球運(yùn)動技術(shù)訓(xùn)練中的應(yīng)用也是乒乓球運(yùn)動項目生物力學(xué)發(fā)展的趨勢。

2.3將力學(xué)理論研究方法和實驗研究方法緊密結(jié)合是運(yùn)動生物力學(xué)在乒乓球運(yùn)動中應(yīng)用的研究方法的發(fā)展趨勢力學(xué)理論研究方法的基礎(chǔ)是經(jīng)典力學(xué)理論，并應(yīng)用它解釋分析生物體運(yùn)動及探索其運(yùn)動規(guī)律。力學(xué)理論研究方法優(yōu)點是能使研究工作更加嚴(yán)謹(jǐn)和深人，但由于模擬研究目標(biāo)和對運(yùn)動數(shù)學(xué)化描述的困難，這類研究難度很大，且研究結(jié)果與運(yùn)動實踐尚有一定的距離。所以力學(xué)理論研究方法必須輔之實驗和經(jīng)驗，才能使它在實際應(yīng)用方面的作用得以發(fā)揮，力學(xué)理論方法與實驗測試方法兩者應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合。前者提供了運(yùn)動普遍規(guī)律，對分析有理論指導(dǎo)意義，后者是理論研究與實際應(yīng)用的橋梁，能使研究更好地為運(yùn)動實際服務(wù)。實驗研究方法，通過各種實驗手段，測試記錄體育運(yùn)動過程，并以此作為依據(jù)，結(jié)合經(jīng)驗，對運(yùn)動技術(shù)進(jìn)行分析對比，從而提出改進(jìn)技術(shù)的意見和建議。這種研究方式是以具體運(yùn)動員的具體動作作為研究對象。

實驗通常用高速攝影、錄像、測力臺測得運(yùn)動學(xué)和外力參數(shù)，用肌電測試儀測得人體內(nèi)力參數(shù)，然后通過數(shù)據(jù)處理和分析，來診斷運(yùn)動技術(shù)的優(yōu)劣及動作的合理性。這種方法以實驗手段為主，與運(yùn)動實踐聯(lián)系緊密，能對運(yùn)動員的技術(shù)訓(xùn)練直接施加影響。但由于該方法研究和實驗的對象是具有個體特征的人，不可避免地造成對共性的運(yùn)動規(guī)律研究的困難，從而使研究結(jié)論難以達(dá)到理論升華。因此實驗方法必須和力學(xué)理論研究共同發(fā)展、相輔相成，才能使運(yùn)動生物力學(xué)學(xué)科漸趨深入完善。

用理論力學(xué)理論研究方法和實驗研究的方法對乒乓球運(yùn)動進(jìn)行運(yùn)動生物力學(xué)的研究，將提供認(rèn)識乒乓球運(yùn)動規(guī)律的多維視角，會對乒乓球運(yùn)動規(guī)律有更加深刻而全面的認(rèn)識，進(jìn)而可使運(yùn)動生物力學(xué)更好地為乒乓球?qū)嵺`服務(wù)。是運(yùn)動生物力學(xué)在乒乓球運(yùn)動中應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

3總結(jié)

根據(jù)乒乓球運(yùn)動專項運(yùn)動生物力學(xué)研究的現(xiàn)狀、運(yùn)動生物力學(xué)學(xué)科發(fā)展趨勢、以及乒乓球運(yùn)動發(fā)展的實際需求，運(yùn)用多種運(yùn)動生物力學(xué)的理論力學(xué)和實驗研究相結(jié)合的方法，對乒乓球運(yùn)動中的多個領(lǐng)域進(jìn)行分析和研究，是運(yùn)動生物力學(xué)在乒乓球運(yùn)動項目中的研究發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 國家體育總局《乒乓長盛考》研究課題組.乒乓長盛的訓(xùn)練學(xué)探索［M］.北京：北京體育出版社：2002.

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［3］ 王向東，劉學(xué)貞，等.運(yùn)動生物力學(xué)方法學(xué)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.中國體育科技，2003 (2)：15-18.

［4］ 忻鼎亮.運(yùn)動生物力學(xué)的力學(xué)理論研究方法［J］.體育科學(xué).1994（4）：37-40.

第2篇：運(yùn)動技術(shù)的生物力學(xué)原理范文

【關(guān)鍵詞】乒乓球；運(yùn)動學(xué)；發(fā)展；高速攝影

一、前言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，運(yùn)動生物力學(xué)研究方法越來越多的應(yīng)用在了競技體育上。它研究人體的各類動作技術(shù)，幫助建立動作技術(shù)的原理及模型，以助于指導(dǎo)教學(xué)與訓(xùn)練。而運(yùn)動學(xué)作為運(yùn)動生物力學(xué)的主要組成部分，則廣泛的使用在了乒乓球技術(shù)動作的研究當(dāng)中。

二、乒乓球技術(shù)動作的運(yùn)動學(xué)研究發(fā)展現(xiàn)狀

吳煥群（1981）采用比較連續(xù)照片的方法，即人手工對連續(xù)相片上的關(guān)節(jié)點進(jìn)行標(biāo)記，再將同一關(guān)節(jié)點的軌跡用曲線描述出來的方法，較詳細(xì)地對郭躍華的弧圈球技術(shù)進(jìn)行了全面的剖析，雖然運(yùn)動學(xué)的特征量未給出，精確度不高，但這個研究應(yīng)該是開創(chuàng)了運(yùn)動生物力學(xué)方法在乒乓球運(yùn)動研究中的先河。

許紹發(fā)等[1] （1987）用兩臺EPL高速攝影機(jī)以100格/s同頻同步對北京隊1名運(yùn)動員的直拍反面、直拍正面擊球的技術(shù)動作（關(guān)節(jié)運(yùn)動幅度、球拍傾角及最大球速）進(jìn)行了拍攝，得出直拍反面擊球技術(shù)的可行性。

這項實驗結(jié)果為當(dāng)時極具爭議性的話題“是否應(yīng)該推廣直拍反面進(jìn)攻”做出了明確量化的論證，為“直拍橫打”的普及與發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

西安體育學(xué)院董樹英[2] （1988）等采用加速度傳感器、高速攝影的方法，調(diào)查了四個省市發(fā)球較好的運(yùn)動員，通過獲取高低拋發(fā)球的揮拍加速度、揮拍動作各時相的時值，定量比較得出高低拋發(fā)球的差異。

這是運(yùn)動生物力學(xué)技術(shù)第一次使用在發(fā)球動作技術(shù)的研究上，為高拋球技術(shù)的推廣以及數(shù)十年的“長春”打下了堅實理論基礎(chǔ)。

張輝[3] （1995）采用三維高速錄像分析法，第一次對四名優(yōu)秀直拍快攻運(yùn)動員的創(chuàng)新技術(shù)“直拍反面拉弧圈球”進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析。

其中值得注意的是，實驗中的4名運(yùn)動員均為健將級，其動作具有極大的學(xué)習(xí)價值。但4名運(yùn)動員在反面拉過程中，各環(huán)節(jié)（肩、肘、腕、拍）達(dá)最大速度的時間順序卻有3種方式，并不符合鞭打動作中關(guān)節(jié)發(fā)力順序的要求。

柳天揚(yáng)[4][5] （1995）對劉國梁、孔令輝等正手近臺攻打前沖弧圈球技術(shù)的運(yùn)動學(xué)特征進(jìn)行了分析與研究。第一次較完整地闡述了優(yōu)秀乒乓球選手正手近臺攻打前沖弧圈球技術(shù)的生物力學(xué)特點與規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)正手近臺反沖前沖弧圈球技術(shù)相對于純粹的前沖弧圈球技術(shù)本身（從下旋到前沖） 具有絕對的速度優(yōu)勢。

這一測量結(jié)果為攻打前沖弧圈球的技術(shù)動作進(jìn)行了理論上的肯定。

陳潔等（2001） [6]對10名體校運(yùn)動員的直拍四面攻技術(shù)的擊球速度、旋轉(zhuǎn)、力量作了實驗研究，并對其主要技術(shù)在比賽中的運(yùn)用情況進(jìn)行了統(tǒng)計和分析，以了解直拍四面攻技術(shù)的可行性及其特點。研究表明： 直拍四面攻可以用正手正、反面和反手正、反面的四個擊球進(jìn)攻，各個面都具有各自不同的功能和作用，擊球速度、旋轉(zhuǎn)、力量以及主要技術(shù)在比賽綜合運(yùn)用上沒有技術(shù)死角。

但不足的是，由于沒有相關(guān)的動力儀器設(shè)備測試，文章中所得正面、反面攻球力量大小是以飛行距離的長短比較進(jìn)行的。嚴(yán)格來說，只有保證在球出手角度一致的情況下，才能做出準(zhǔn)確的判斷。

黃誠 [7] （2004）采用MotionAnalysis系統(tǒng)對兩名上海體院運(yùn)動員的直拍橫打和橫拍反手回?fù)艋∪η騼煞N技術(shù)動作進(jìn)行了拍攝。結(jié)果顯示：直拍橫打和橫拍反手位回?fù)艋∪ο啾龋迸臋M打技術(shù)各階段的揮拍速率都比橫拍的小，遠(yuǎn)臺時比較明顯，近臺相差不大，直拍橫打技術(shù)比較適合在近臺、時回?fù)艋∪η颉５珵槭裁粗迸臋M打速率較小，文章并沒有進(jìn)行深入的研究。

徐大鵬[8] （2005）在其《乒乓球直拍橫打四項技術(shù)上肢動作原理的運(yùn)動學(xué)比較研究》一文中，通過對六名參加遼寧省冬訓(xùn)的優(yōu)秀直拍運(yùn)動員進(jìn)行的三維攝影解析及其數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論：直拍橫打技術(shù)符合人體關(guān)節(jié)活動順序性原理，符合人體鞭打動作的要求。

孟杰[9] （2005）采用三維錄像分析方法，比較了在比賽場上兩名優(yōu)秀運(yùn)動的直拍橫打拉弧圈技術(shù)與橫拍反手弧圈技術(shù)的異同，并首次對技術(shù)動作的完成質(zhì)量制定了運(yùn)動學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

肖丹丹[10] （2006）《乒乓球正手快攻、弧圈球技術(shù)的生物力學(xué)研究及步法墊測試系統(tǒng)的研制與實驗》應(yīng)用瑞典產(chǎn)QUALISYS-MCU500紅外遠(yuǎn)射測試系統(tǒng)（6個鏡頭）對乒乓球運(yùn)動員正手快攻、弧圈球技術(shù)進(jìn)行測試。

文章的創(chuàng)新點在于，首次將運(yùn)動學(xué)和動作力學(xué)兩種研究方法結(jié)合，對乒乓球技術(shù)動作的運(yùn)動學(xué)特征、動力學(xué)特征進(jìn)行了更加全面的測量。同時，自主研發(fā)的步法墊測試系統(tǒng)作為專門針對乒乓球的實驗儀器，將乒乓球技術(shù)動作的運(yùn)動學(xué)研究發(fā)展推進(jìn)一步。

向祖兵[11] （2009）運(yùn)用ARIEL/APAS三維圖像解析系統(tǒng)對我國優(yōu)秀乒乓球運(yùn)動員余世欽、朱文濤的反手臺內(nèi)側(cè)擰技術(shù)動作進(jìn)行了三維立體拍攝和解析獲得了技術(shù)動作過程相關(guān)運(yùn)動學(xué)參數(shù)。

臺內(nèi)側(cè)擰作為新出現(xiàn)的技術(shù)，自然引起了研究者的注意。這篇文章是首次將側(cè)擰技術(shù)的運(yùn)動學(xué)參數(shù)測量出來。

徐括[12] （2010）運(yùn)用紅外光點采集系統(tǒng)對王浩、馬琳直拍橫打中的拉下旋技術(shù)動作進(jìn)行了拍攝和解析。

紅外光點采集系統(tǒng)是迄今最先進(jìn)的人體運(yùn)動捕獲系統(tǒng)，它具有自動識別標(biāo)志功能，能快速、準(zhǔn)確的捕獲人體關(guān)節(jié)點的運(yùn)動軌跡。

崔先友（2013） [13]運(yùn)用兩臺高速攝像機(jī)同時對削球運(yùn)動員正手削弧圈球技術(shù)和正手前沖弧圈球技術(shù)動作進(jìn)行錄制，采用愛里爾運(yùn)動圖像解析系統(tǒng)進(jìn)行后期的解析與制作，分析比較發(fā)現(xiàn)正手削高吊和前沖弧圈球技術(shù)的異同。這篇文章首次涉及了向下?lián)]拍的技術(shù)動作。

三、小結(jié)

從使用的儀器來看，從最初始的普通照相機(jī)，到普通精度的攝影機(jī)，再發(fā)展到如今的高精度的高速攝像測量系統(tǒng)。測試手段也從二維錄像轉(zhuǎn)入三維錄像，圖像解析手段也由人工逐點逐幀解析的方法發(fā)展至更準(zhǔn)確快速的圖像自動識別（如：紅外遠(yuǎn)射測試系統(tǒng)）。從研究的內(nèi)容來看，主要集中在當(dāng)時新出現(xiàn)的技術(shù)上，如：直拍橫打技術(shù)、弧圈技術(shù)、側(cè)擰技術(shù)等。

新技術(shù)的出現(xiàn)帶來的往往是新舊觀念的沖突，此時迫切需要一個科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)來進(jìn)行可行性論證及優(yōu)劣性的比較論證。運(yùn)動學(xué)測試方法從定量的角度出發(fā)，以數(shù)據(jù)取代經(jīng)驗，為乒乓球新技術(shù)的發(fā)展研究做出了重要貢獻(xiàn)。

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[10]肖丹丹.乒乓球正手快攻、弧圈球技術(shù)的生物力學(xué)研究及步法墊測試系統(tǒng)的研制與實驗[D].北京體育大學(xué)，2006.

第3篇：運(yùn)動技術(shù)的生物力學(xué)原理范文

摘 要：以運(yùn)動和力學(xué)的緊密關(guān)系為依據(jù)，闡述運(yùn)動生物力學(xué)與體育教學(xué)原理交融滲透、密不可分。以散打教學(xué)為切入點，對散打教學(xué)中運(yùn)用生物力學(xué)知識的重要性，運(yùn)動生物力學(xué)知識在散打教學(xué)中的應(yīng)用做了淺析，得出在散打教學(xué)中傳授生物力學(xué)知識，有助于教師選擇正確的方法和手段，使教學(xué)合理、科學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量目的，促進(jìn)教師自身理論水平的提高。目的是為體育教學(xué)的改革的進(jìn)一步深化提供參考。

關(guān)鍵詞：生物力學(xué) 運(yùn)動 散打 教學(xué)

散打是一種以腿法為主的武技，實戰(zhàn)中步法的靈活運(yùn)用對保證充發(fā)揮腿的威力，取得實戰(zhàn)的勝利具有極其重要的意義。但在教學(xué)中由于教師忽視人體組織結(jié)構(gòu)的解剖與生理特點，導(dǎo)致教學(xué)效果不明顯，甚至學(xué)生運(yùn)動性損傷等情況比比皆是。運(yùn)動生物力學(xué)應(yīng)用于散打教學(xué)，不僅有利于對動作的理解和分析，而且可以對動作技術(shù)推陳出新。在跆拳教學(xué)中，如何運(yùn)用運(yùn)動生物力學(xué)知識指導(dǎo)教學(xué)，這是我們散打教師和教練探討的熱點。

一、散打教學(xué)中運(yùn)用生物力學(xué)知識的重要性

體育教學(xué)在向?qū)W生傳授運(yùn)動技術(shù)的同時，必須首先講解運(yùn)動技術(shù)的物力學(xué)特性，教會學(xué)生掌握合乎力學(xué)原理的技術(shù)動作，在掌握合理技術(shù)基礎(chǔ)上，盡量使每個學(xué)生按照其自身特點去改進(jìn)技術(shù)動作。在力的作用，人體和由人所帶動的運(yùn)動器械的運(yùn)動狀態(tài)要發(fā)生數(shù)值和方向上變化，要揭示運(yùn)動發(fā)生的原因和變化的情況，就必須研究運(yùn)動的動力學(xué)特征。力學(xué)的基本任務(wù)是研究物體的運(yùn)動和物體受力的關(guān)系。散打教學(xué)中，任何技術(shù)動作都是在人體自身的外力與內(nèi)力的整體作用下完成的，運(yùn)動物力學(xué)是體育教學(xué)存在和發(fā)展的最重要的理論依據(jù)之一，體育教學(xué)與動生物力學(xué)原理交融滲透、密不可分。作為一名合格的體育教師，必須運(yùn)動生理學(xué)、技能學(xué)、生物力學(xué)等基礎(chǔ)知識都有所了解。而在這些基礎(chǔ)性學(xué)科中，生物力學(xué)將使體育教師對人體運(yùn)動的原理、影響人體運(yùn)動的內(nèi)力外力作用，以及使物體產(chǎn)生運(yùn)動的原因等有更好的理解，可幫助體育教識別技術(shù)。更為重要的是體育教師在教學(xué)中結(jié)合運(yùn)動技術(shù)講授運(yùn)動生力學(xué)知識，學(xué)生容易理解和掌握，克服了在教學(xué)中局限于對技術(shù)運(yùn)動外的描述，能夠有效分析技術(shù)動作的優(yōu)劣。

二、運(yùn)動生物力學(xué)知識在散打教學(xué)中的應(yīng)用

（一）身體平衡的破壞

在散打搏擊項群中并非始終要求提高身體穩(wěn)度保持平衡狀態(tài)，有時反而需要快速破壞自身或?qū)Ψ缴眢w的平衡。

1.主動進(jìn)攻與防守。散打運(yùn)動中攻防交替變換頻繁。然而無論進(jìn)攻是防守都應(yīng)體現(xiàn)一個“快”字，即身體或肢體要快速啟動。要達(dá)到這一目的，運(yùn)動員必須在有利于自己啟動的方向上有意識的減小自身的穩(wěn)度，以快速破壞平衡而提高啟動速度。例如，某運(yùn)動員在連續(xù)進(jìn)攻中，前一進(jìn)攻動作完成后如何為后一進(jìn)攻動作奠定基礎(chǔ)，使之便于身體動作加速，為肌肉正常工作創(chuàng)造條件就顯得十分重要。防守中也是如此，既要考慮自身的穩(wěn)度，又要注意為反擊創(chuàng)造條件。如果防守時過分增大穩(wěn)度是不利反擊的。一般情況下主動降低自身的穩(wěn)度，破壞其平衡的方法有：在提身體重心的同時將重心投影點移至支撐面的邊緣處，或者改變步態(tài)減小

支撐面積，或者改變身體的姿勢等，已達(dá)到降低身體在運(yùn)動方向的穩(wěn)定度的目的。

2.破壞對方的平衡。從力學(xué)角度看，雙方在技術(shù)上的對抗實際上是雙方在某一方向的穩(wěn)定程度對抗。只要一方在某一方向的穩(wěn)度明顯大于對方的穩(wěn)度，在一定的力矩作用下就能首先使對方失去平衡。根據(jù)影響身體平衡的因素我們知道，對方重心的投影點至支撐面邊緣最近方向便是他身體平衡最不穩(wěn)定的方向，若能抓住此時機(jī)沿此方向施力，很容易破壞對方身體的平衡。要想沿某一方向破壞對方的平衡，進(jìn)攻還必須注意調(diào)節(jié)好自身支撐面的形狀和重心投影點的位置，以加強(qiáng)本的再進(jìn)攻方向的穩(wěn)度，這樣才能達(dá)到在保護(hù)自己的前提下破壞他人的

衡。

（二）身體平衡的主動恢復(fù)

當(dāng)運(yùn)動員身體的平衡受到破壞又不能借穩(wěn)定力矩恢復(fù)初始平衡時，人體還能采用一些措施主動地恢復(fù)平衡。

1.補(bǔ)償運(yùn)動。當(dāng)運(yùn)動員身體開始失去平衡而傾斜時，人體的相應(yīng)環(huán)節(jié)發(fā)生位置的改變，以調(diào)整人體姿勢，使身體重心的投影點重新回到支撐內(nèi)，恢復(fù)初始平衡。例如人體重心向左偏移時，人體的上肢或軀干主動向右移動以抵消重心的偏移量。

2.改變支撐面。當(dāng)運(yùn)動員偏平衡位置較遠(yuǎn)，平衡嚴(yán)重受到破壞時，補(bǔ)償動作便失去作用。這時人體可以采用改變支撐點，形成新的支撐面的方法重新建立平衡或恢復(fù)初始平衡狀態(tài)。改變支撐面的方法有兩種：一是沿著重心偏移方向擴(kuò)大支撐面，使重心投影點位于新的支撐面，使重心投影點位于新的支撐面；另一種方法是改變支撐面的形狀，使人體重心投影點重新回到新的支撐面內(nèi)。

（三）重心位置偏前或偏后的實戰(zhàn)姿勢

1.重心位置偏前的實戰(zhàn)姿勢特點。當(dāng)兩腳呈前后站立支撐時，如身體過于前傾，軀干與水平面的夾角偏小，則使身體遷移。此時，前腿各環(huán)節(jié)受力大于后腿。這種實戰(zhàn)姿勢是不利于進(jìn)攻的。因為進(jìn)攻就要體現(xiàn)一定的效果（動作速度和擊打力量），而制約打擊效果的直接因素之一是整個身體運(yùn)動的幅度。因此，只有將身體重心適當(dāng)后移，才能達(dá)到使身體更好遷移的目的，才便于腿的進(jìn)攻。根據(jù)運(yùn)動中移動重心原則可知，支撐重心的腿，能使身體做奔騰、跳躍動作，還能抬腿移步；非支撐重心的腿（虛腿）則可以做橫踢和下劈以及移步動作，

但不能是身體騰起、跳躍。由此看來，身體重心在水平面的投影與支撐腳的間距影響著身體的穩(wěn)定性，虛腿只起輔助作用，進(jìn)攻則全靠虛腿。從身體遷移的幅度、速度和擊打力量考慮，重心都不能過于偏前。

2.重心位置偏后的實戰(zhàn)姿勢特點。當(dāng)腳步呈前后站立支撐時，如身體過于后傾，則使身體重心偏后。此時后支撐腿各環(huán)節(jié)的受力大于前腿。這種姿勢既有利于提高前腿的進(jìn)攻速度和力量，又能增大雙方的間距使自己免受擊打。但由于身體的重量主要右后腿承受，因而不利于快速后退或防守反擊。在此狀態(tài)下，對前腿的反應(yīng)速度要求較高，一旦要向后退防守時，前腿需快速有力蹬地，推動身體向后運(yùn)動，免受對手的擊打。

3.重心位置偏低的實戰(zhàn)姿勢。無論兩腳是前后或左右站立，下蹲支撐時兩腳間距較大，下肢各關(guān)節(jié)彎曲度大，都會使身體重心自然降低，因而增大了支撐面，身體的穩(wěn)定性較好。但此狀態(tài)下下肢各關(guān)節(jié)伸肌的負(fù)擔(dān)較重，不利于快速啟動和步伐的調(diào)整。此外還會造成下肢肌肉的疲勞。因此在實戰(zhàn)中不宜長時間的保持這種姿勢。

4.重心位置偏高的實戰(zhàn)姿勢。身體自然放松，兩腳間距小，兩膝彎曲不大，身體重心則偏高。此時下肢各關(guān)節(jié)肌肉的負(fù)荷較小，肌肉不宜疲勞，有利于進(jìn)攻與防守。但不利之處在于動作預(yù)兆較大，容易暴露戰(zhàn)術(shù)意圖，且支撐面較小，身體的穩(wěn)定性較差。

三、結(jié) 論

經(jīng)過幾年的訓(xùn)練和教學(xué)工作。筆者認(rèn)為：在散打教學(xué)中傳授生物力學(xué)知識，可有助于教師選擇正確的方法和手段，使教學(xué)合理、科學(xué)，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量目的，促進(jìn)教師自身理論水平的提高。在體育教學(xué)中，普及不可缺少的有關(guān)生物力學(xué)知識，比單純講技術(shù)效果要好，它不但可以使學(xué)生了解技術(shù)動作的本質(zhì)、掌握合理技術(shù)、識別技術(shù)動作的優(yōu)劣，而且可以幫助學(xué)生正確學(xué)習(xí)技術(shù)和新項目，學(xué)會自我保護(hù)方法，防止傷害事故的發(fā)生。學(xué)生們普遍反映，在體育課中講授生物力學(xué)知識使他們既掌握了技術(shù)動作的關(guān)鍵，又使所學(xué)的知識有機(jī)地結(jié)合起來，同時進(jìn)一步使學(xué)生認(rèn)識到體育不僅僅是跑跑、跳跳，而且是大有學(xué)問的一門學(xué)科。

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第4篇：運(yùn)動技術(shù)的生物力學(xué)原理范文

關(guān)鍵詞：百米；途中跑；男子運(yùn)動員；著地緩沖

中圖分類號：G822.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1007-3612(2008)03-0425-03

我國100 m跑水平與世界先進(jìn)水平相比存在較大差距，其中男子水平差距更為明顯。近些年，我國100 m運(yùn)動成績停滯不前，其中跟途中跑技術(shù)沒有得到明顯的改善有很大關(guān)系。著地緩沖技術(shù)是短跑途中跑階段重要技術(shù)環(huán)節(jié)，它體現(xiàn)騰空著地技術(shù)效果，同時又為積極的后蹬做好準(zhǔn)備。國內(nèi)關(guān)于100 m途中跑著地緩沖技術(shù)的研究表明：美國運(yùn)動員腳著地扒地更積極；著地距離更長；緩關(guān)節(jié)沖膝角度更大。但是大量的研究將著地緩沖技術(shù)的差異僅僅歸因于訓(xùn)練水平的差異，并未對著地緩沖技術(shù)對諸如擺動腿的擺動和后蹬效果等途中跑整體技術(shù)方面的影響進(jìn)行分析和對比研究。而且對我國傳統(tǒng)的短跑技術(shù)觀念和技術(shù)訓(xùn)練方法對緩沖技術(shù)乃至整個途中跑技術(shù)造成的影響，沒有深刻的認(rèn)識。

1研究方法

搜集大量有關(guān)中外優(yōu)秀短跑運(yùn)動員技術(shù)的文獻(xiàn)和研究資料，重點對近10年中美男子百米運(yùn)動員技術(shù)資料進(jìn)行對比和分析。運(yùn)用運(yùn)動生物力學(xué)原理，分析造成中外短跑緩沖技術(shù)差異的技術(shù)原因以及對整體技術(shù)的影響，探索提高我國短跑運(yùn)動技術(shù)水平和運(yùn)動成績的途徑。

2討論與分析

2.1中外短跑運(yùn)動員著地緩沖技術(shù)的不同特征

通過表1我們發(fā)現(xiàn)：美國男子優(yōu)秀百米運(yùn)動員腳的著地緩沖技術(shù)特點表現(xiàn)為：“扒地”積極；著地距離長；緩沖時間長；緩沖幅度大。首先，美國高水平運(yùn)動員腳著地前的“扒地”技術(shù)的效果明顯好于我國運(yùn)動員，美國高水平運(yùn)動員在腳著地瞬間腳相對于地面的向前的水平速度是+1.15 m/s、國內(nèi)運(yùn)動員為+1.35 m/s，由于美國運(yùn)動員腳著地時腳相對于地面向前的水平速度小于國內(nèi)運(yùn)動員的腳著地速度，減小了腳在著地時的阻力，從而減少了腳著地瞬間身體重心在水平方向的速度損失。著地距離即著地點與身體重心垂直投影點的距離，中外運(yùn)動員的著地距離相差0.11 m。緩沖時間即腳著地至膝關(guān)節(jié)角度最小時相的時間，中外運(yùn)動員相差0.09 s。美國運(yùn)動員短跑運(yùn)動員途中跑膝關(guān)節(jié)角度由腳著地的144.4°至最大緩沖時的134．2°，膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動幅度為10.2°，我國運(yùn)動員的膝關(guān)節(jié)的緩沖幅度僅為3°，相差7.2°。我國男子百米運(yùn)動員著地緩沖技術(shù)特點相對于美百米運(yùn)動員表現(xiàn)為：“扒地”效果差；著地距離短；緩沖時間短；緩沖幅度小。

2.2著地緩沖技術(shù)是造成我國百米運(yùn)動員途中跑步幅結(jié)構(gòu)不合理的重要原因

2.2.1中外男子百米運(yùn)動員支撐時間上的差異，是由緩沖時間上的差異造成的美國運(yùn)動員支撐與騰空重心位移距離比為1：1.2，我國運(yùn)動員為1：1.5，美國運(yùn)動員支撐時間與騰空時間比1：1.2，我國運(yùn)動員為1：1.45。國內(nèi)外對比說明，我國運(yùn)動員騰空時間過長（圖1），而支撐時間相對過短。支撐時間中的后蹬時間相差無幾，差異主要表現(xiàn)在緩沖時間較短（表2）。美國優(yōu)秀百米運(yùn)動員緩沖時間是0.045 s，緩沖時間與后蹬時間的比例是11.11，而我國運(yùn)動員緩沖時間僅為0.036 s，緩沖時間與后蹬時間的比例是1∶1.44，美國運(yùn)動員的支撐時間比國內(nèi)運(yùn)動員長0.007 s，緩沖時間比我國運(yùn)動員的緩沖時間長0.009 s，因此，中外男子百米運(yùn)動員支撐時間上的差異，是由緩沖時間上的差異造成的。

圖1途中跑各時相的時間比較

2.2.2中外運(yùn)動員小腿前傾角的差異是由緩沖階段形成的美國運(yùn)動員腳離地前的小腿前傾角明顯小于我國運(yùn)動員分別是23.1°和41.8°。從腳著地到腳離地小腿前傾角的變化幅度分別為53.6°和39.7°，相差13.9°。緩沖階段小腿前傾角變化幅度就相差11.1°之多，而后蹬階段僅相差2.8°，從此不難看出小腿前傾角減小的差異主要是緩沖階段形成的（表2）。

緩沖階段小腿前傾角的減小，有助于減小后蹬角，增大后蹬時的水平分力，從而縮短騰空時間和騰空距離，提高后蹬效果，改善途中跑步幅結(jié)構(gòu)。美國運(yùn)動員較長的緩沖距離、緩沖時間和較大的緩沖幅度，雖然增長了人體作減速運(yùn)動的過程，但是也相對增大了踝、膝關(guān)節(jié)的退讓收縮的程度，踝、膝關(guān)節(jié)較大幅度的緩沖使小腿繞支撐點的前旋更加積極，有助于小腿前傾角的減小。我國運(yùn)動員緩沖距離和時間短、緩沖幅度小，就會造成在最大緩沖時相（即后蹬開始時）的小腿前傾角相對較大，加大了后蹬的垂直分力，騰空距離和騰空時間相對較長，導(dǎo)致步幅結(jié)構(gòu)的不合理。

2.3著地緩沖技術(shù)是提高蹬擺技術(shù)效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

2.3.1適當(dāng)加大我國短跑運(yùn)動員緩沖距離有助于提高支撐腿蹬伸效果通過以上數(shù)據(jù)表明：美國優(yōu)秀運(yùn)動員的著地緩沖距離較長，緩沖時間也較長，但是表現(xiàn)出來的后蹬效果更好，在后蹬階段支撐腿的膝關(guān)節(jié)角度蹬伸幅度比國內(nèi)運(yùn)動員大6.6°，后蹬距離長0.07 m，但是后蹬時間卻不比我們長（分別為0.050 s和0.052 s）。也就是說，美國優(yōu)秀運(yùn)動員在相同的時間內(nèi)肌肉工作距離更長，速度更快，效率更高。

在短跑途中跑過程中，支撐腿的膝、踝關(guān)節(jié)肌肉經(jīng)歷離心收縮――向心收縮過程，應(yīng)該做為一個完整的用力過程考慮。著地緩沖階段，也就是支撐腿肌肉離心收縮過程，是后蹬動作的準(zhǔn)備，后蹬是緩沖階段能量的釋放。在著地緩沖階段，由于地面的沖力和擺動腿積極擺動所產(chǎn)生的反作用力使得支撐腿伸肌群被動拉長，增加了肌肉的初長度，同時由于人體組織的牽張反射作用，在后蹬階段發(fā)揮更大的收縮力量和更快的收縮速度。但是，如果著地距離太短，則人體在腳著地后來不及進(jìn)行有效的緩沖技術(shù)動作，支撐腿很快進(jìn)入后蹬階段，支撐腿肌肉工作距離短、力量小、速度慢、效率低，所能克服的阻力也小，在為人體提供主要動力的后蹬階段獲得的加速度低，運(yùn)動人體只能在較低水平上保持一定的速度。

2.3.2積極有效的擺動腿擺動技術(shù)基于合理的緩沖技術(shù)根據(jù)運(yùn)動生物力學(xué)對人體在跑跳運(yùn)動中擺動動作原理的分析，當(dāng)支撐腿主動肌群退讓性收縮，人體支撐腿關(guān)節(jié)角度減小，同時手臂和腿部的加速擺動。擺動的反作用力使得支撐腿主動肌群被動拉長，肌肉張力增加，當(dāng)肌肉張力增加到足以克服阻力時，肌肉開始向心收縮。在蹬伸的過程中，擺動動作制動加快支撐腿的蹬伸速度。在此過程中，支撐腿的緩沖過程和積極有力的擺動動作，是加大主動肌群張力，提高蹬伸動作速率的決定性技術(shù)因素。我國很多學(xué)者提出“擺動是短跑的主要動力”的觀點，顯示了在百米途中跑中擺動的重要作用，它一定程度上決定著后蹬階段支撐腿蹬伸的力量和速度，擺動腿大幅度的擺動成為現(xiàn)代短跑技術(shù)的突出特點。

但是，擺動動作的作用最終還要通過支撐腿的“緩沖-蹬伸”過程，發(fā)揮推動人體向前的運(yùn)動的作用。只單純強(qiáng)調(diào)擺動腿擺動作用的觀點是片面的，它必須與支撐腿的工作特點結(jié)合起來進(jìn)行分析。必須將積極擺腿與改進(jìn)我國百米運(yùn)動員的緩沖技術(shù)結(jié)合起來。如圖2，整個支撐階段擺動腿與軀干的角度由177°減小到106.5°，變化幅度為70.5°。從腳著地到最大緩沖時相0.045 s的時間內(nèi)，擺動腿相對與軀干的角度由177度減小到127.7°，變化幅度為49.3°，平均角速度為1095°/s，最大緩沖至腳離地的0.50 s的時間內(nèi)角度變化為21.2°，平均角速度為424°/s，擺動腿高抬大腿擺動動作的70%是在緩沖過程完成的。只有與合理的緩沖技術(shù)協(xié)調(diào)配合，才能夠最大限度的發(fā)揮擺動腿的擺動作用，才能夠在支撐腿在后蹬階段發(fā)揮更大的力量和速度，提高蹬伸效果。如果緩沖距離和緩沖時間太短，導(dǎo)致緩沖幅度小、擺腿幅度小且效果差，不能發(fā)揮最佳的積極擺腿的作用，最終影響支撐階段人體組織的工作效果。

2.4傳統(tǒng)腳著地技術(shù)是影響我國百米緩沖技術(shù)的重要因素我國短跑運(yùn)動員技術(shù)上的差距不能僅僅被認(rèn)為是技術(shù)特點上的差異。這些差距歸根結(jié)底是由于我們一些技術(shù)觀念差異，以及我們在這種觀念下長期以來所運(yùn)用的技術(shù)訓(xùn)練方法。我們傳統(tǒng)的技術(shù)原理僅僅把著地緩沖階段看作被動的減速過程。在技術(shù)上要求“盡量使著地點靠近身體總重心的投影點”。常用技術(shù)教學(xué)和練習(xí)手段也都體現(xiàn)了這種觀念的要求，比如小步跑、高抬腿跑、后踢小腿跑、車輪跑等專門練習(xí)，擺動腿的下放均是大腿積極下壓小腿放松前擺扒地，即使是行進(jìn)間的練習(xí)，也基本上是屬于“踏步跑”。包括后蹬跑在內(nèi)的所有專門練習(xí)，腳的著地點也都位于身體重心投影點下方，緩沖幅度小、蹬擺效果差。而對于多數(shù)短跑運(yùn)動員來說，技術(shù)專門練習(xí)是他們長期的必修課。所以這些長期的技術(shù)練習(xí)必然造成我國運(yùn)動員在途中跑過程中，著地距離短和緩沖幅度小的技術(shù)特點。

同時值得注意的是所有以上專門練習(xí)腳著地時膝關(guān)節(jié)幾乎是伸直的狀態(tài)下完成下地動作的，我國傳統(tǒng)技術(shù)對腳著地的要求也正是“擺動腿大腿積極下壓帶動小腿前伸，膝關(guān)節(jié)幾乎伸直下扒”，所以我國男子百米運(yùn)動員腳著地瞬間膝關(guān)節(jié)角度比美國高水平短跑運(yùn)動員大8度（表1）。這種“扒地”技術(shù)不僅不利于提高腳著地效果（分析見作者在“對改進(jìn)100 m途中跑著地技術(shù)及其對整體技術(shù)效果影響的實驗研究”一文），同時在腳著地時膝關(guān)節(jié)正處于伸展過程之中，著地后膝關(guān)節(jié)繼續(xù)向后的趨勢不利于膝關(guān)節(jié)的屈膝緩沖和減小小腿的前傾角。因此通過運(yùn)動生物力學(xué)分析和實驗研究，作者在“對改進(jìn)100 m途中跑著地技術(shù)及其對整體技術(shù)效果影響的實驗研究”一文中提出“在腳著地前，控制擺動腿大腿下放，積極回擺小腿‘扒地’技術(shù)”，不僅有利于提高腳著地效果，同時由于積極的屈膝回擺小腿，使得腳著地后更加有利于支撐腿的屈膝緩沖和小腿前傾角的減小，從而提高緩沖效果為更加有效的后蹬提供有利的前提。

短跑的技術(shù)練習(xí)應(yīng)該著眼于現(xiàn)代短跑技術(shù)要求，改進(jìn)專門練習(xí)形式和練習(xí)要求。首先，短跑專門練習(xí)應(yīng)該在跑進(jìn)中進(jìn)行，腳的著地點在身體重心投影點的前方，避免“踏步跑”。同時在腳著地前控制大腿下放，積極回擺小腿“扒地”而不是伸膝前擺下放，以有利于積極的著地緩沖和小腿的前傾角的減小，提高后蹬效果，改善途中跑步幅結(jié)構(gòu)。

3結(jié)論與建議

1) 美國男子優(yōu)秀百米運(yùn)動員腳的著地緩沖技術(shù)特點表現(xiàn)為：“扒地”積極；著地距離長；緩沖時間長；緩沖幅度大；我國男子百米運(yùn)動員著地緩沖技術(shù)特點相對于美百米運(yùn)動員表現(xiàn)為：“扒地”效果差；著地距離短；緩沖時間短；緩沖幅度小。2) 較長的緩沖距離、緩沖時間和較大的緩沖幅度，使小腿繞支撐點的前旋更加積極，有助于小腿前傾角的減小。從而減小后蹬角，增大后蹬階段向后的水平分力，縮短騰空時間和距離，提高后蹬效果，最終改善途中跑步幅結(jié)構(gòu)。 3) 擺動腿高抬大腿擺動動作的70%是在緩沖過程完成的。只有與合理的緩沖技術(shù)協(xié)調(diào)配合，才能夠最大限度的發(fā)揮擺動腿的擺動作用，才能夠在支撐腿在后蹬階段發(fā)揮更大的力量和蹬伸速度，提高蹬伸效果。如果緩沖距離太短、小緩沖時間太短，從而導(dǎo)致緩沖幅度小、擺腿幅度小且效果差，不能發(fā)揮最佳的積極擺腿的作用，最終影響支撐階段人體工作效果。4) “擺動腿大腿積極下壓帶動小腿小腿前伸，膝關(guān)節(jié)幾乎伸直下扒”的“扒地”技術(shù)和我國傳統(tǒng)短跑技術(shù)專門練習(xí)的要求，是影響我國百米運(yùn)動員形成合理著地緩沖技術(shù)的重要原因。

參考文獻(xiàn)：

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［4］ 駱健.試論100 m途中跑后蹬階段技術(shù)［J］.體育科學(xué)，1997(6).

［5］ 黃宗誠，等.短跑下地動作的生物力學(xué)分析［A］.運(yùn)動生物力學(xué)論文選［M］.北京：人民體育出版社，1990，9.

第5篇：運(yùn)動技術(shù)的生物力學(xué)原理范文

關(guān)鍵詞 鞭打動作 體育項目 應(yīng)用

中圖分類號：G804.66 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

人體在結(jié)構(gòu)上是由關(guān)節(jié)將身體各環(huán)節(jié)相連，在體育動作中，當(dāng)希望環(huán)節(jié)鏈末端產(chǎn)生最大的速度和力量時，肢體的運(yùn)動形式往往表現(xiàn)為由近端環(huán)節(jié)到遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)依次加速與制動，各環(huán)節(jié)的速度也表現(xiàn)為由近端到遠(yuǎn)端的依次增加，把這種動作形式稱為鞭打動作。人體四肢結(jié)構(gòu)類似于鞭子，它們近端環(huán)節(jié)的質(zhì)量大，末端環(huán)節(jié)的質(zhì)量小，因此在作鞭打動作時，鞭根近端環(huán)節(jié)先加速揮動，獲得動量，然后制動，在制動過程中，動量向鞭梢末端環(huán)節(jié)傳遞，因此獲得極大的運(yùn)動速度。人體鞭打動作在體育運(yùn)動技術(shù)中有著舉足輕重的作用，它幾乎滲透到各項體育運(yùn)動技術(shù)動作中，所有的投擲項目無一例外的都與鞭打技術(shù)有關(guān)，如：標(biāo)槍、棒球和壘球，其中標(biāo)槍的鞭打技術(shù)最為復(fù)雜，再如排球的扣球、乒乓球、羽毛球及網(wǎng)球的扣殺動作，無一例外首先要解決好鞭打的技術(shù)，足球運(yùn)動員的大力踢球、散打中的鞭腿、游泳中的打水，以及體操中的腿鞭打都與鞭打技術(shù)有關(guān)。

鞭打動作的分類，主要分為上肢鞭打動作和下肢鞭打動作，其中上肢鞭打動作又可以分為投擲性鞭打動作（例如：投擲標(biāo)槍、壘球等）和打擊性鞭打動作（例如：排球扣球、發(fā)球，乒乓球和羽毛球的扣殺等），下肢鞭打動作常在足球、體操、武術(shù)技術(shù)中運(yùn)用，足球中射門、傳球和武術(shù)中的鞭腿都是下肢鞭打動作的典型范例。另外，也有人提出全身鞭打，但由于最后的發(fā)力是通過肢體末端，也可以歸到下肢鞭打動作（例如：蝶泳等）。

1上肢鞭打動作

在上肢鞭打中“力的曲線”呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，首先人體上肢環(huán)節(jié)的反向運(yùn)動使肢體的肌肉預(yù)先拉長，緊接著肌肉由離心收縮轉(zhuǎn)向向心收縮，力的曲線出現(xiàn)了第一次波峰，由于軀干的制動和身體的另一部分的固定，使力的曲線出現(xiàn)了一個小小的波谷，最后在鞭打動作即將結(jié)束時，力的曲線出現(xiàn)了第二次波峰，達(dá)最大值。人體各環(huán)節(jié)的曲線圖，呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，肩關(guān)節(jié)首先出現(xiàn)速度峰值，接著開始減速，肘關(guān)節(jié)出現(xiàn)速度峰值。接著開始減速，最后腕關(guān)節(jié)出現(xiàn)速度峰值，以上說明鞭打動作的一個特點，即每一個環(huán)節(jié)最大運(yùn)動速度是在前一個環(huán)節(jié)達(dá)到最大速度后，獲得的近端環(huán)節(jié)制動的同時遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)做加速運(yùn)動，遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)速度是由近端環(huán)節(jié)動量傳遞和速度依次疊加而成的，使遠(yuǎn)端獲得最大的角速度和線速度。當(dāng)然，動量傳遞只是肢體鞭打動作快速有力的一個方面，在這一過程中，使遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)在鞭打方向上加速的原動肌也發(fā)揮著較大的作用肢體各關(guān)節(jié)依次發(fā)力，使各環(huán)節(jié)的動量逐步積累，末端環(huán)節(jié)手或足的運(yùn)動速度是由其各近側(cè)環(huán)節(jié)的運(yùn)動速度的依次疊加而成，這是另一個重要方面。排球的扣球、發(fā)球等均為上肢打擊性鞭打中的無器械鞭打動作形式，打擊性鞭打動作，其運(yùn)動規(guī)律與投擲性鞭打動作相仿，其特點是在做動作之前，各關(guān)節(jié)的肌肉更加放松被拉長，以保證肢體完成鞭打動作的速度和幅度。

2下肢鞭打動作

下肢鞭打動作角速度特征為：后擺時表現(xiàn)為大腿逐漸減速，小腿加速――最大角速――減速的特點；前擺時表現(xiàn)為大腿加速――最大角速度――減速，小腿持續(xù)加速的特點。髖關(guān)節(jié)的屈肌力矩，膝關(guān)節(jié)的伸肌力矩，踝關(guān)節(jié)的背屈力矩在下肢鞭打動作前擺階段起主導(dǎo)作用。髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收，外展力矩起定向作用。髖關(guān)節(jié)旋內(nèi)、旋外力矩，膝關(guān)節(jié)旋內(nèi)、旋外力矩以及踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩的主要作用是對腳的方位及傾斜程度進(jìn)行調(diào)整。股直肌、股內(nèi)肌、股外肌、脛骨前肌在下肢鞭打動作前擺階段起主導(dǎo)作用。小腿加速前擺的初期伸膝肌群產(chǎn)生的伸膝力矩在起支配作用，后期是伸膝力矩與來自大腿角動量的傳遞共同在起作用。

3結(jié)論與建議

鞭打動作中，肢體的反向動作，給原動肌一個最適宜的初長度，同時也提高了原動肌的爆發(fā)式收縮力，盡可能延長了肌力工作距離。鞭打過程中，各環(huán)節(jié)的依次加速與制動，最終近端獲得最大的角速度與線速度。鞭打效果的好壞，不僅與動量的傳遞有關(guān)，而且與原動肌加速有關(guān)，同時與動量的逐步積累和依次疊加有著密切關(guān)系。

因此，教師在教學(xué)過程中應(yīng)該注意強(qiáng)調(diào)發(fā)力順序，注重對學(xué)生動作的規(guī)范性。學(xué)生自己在學(xué)習(xí)過程中應(yīng)該勤于思考多加練習(xí)，注重對自己發(fā)力的體會，注重各項目間的相通性，學(xué)會發(fā)現(xiàn)規(guī)律并應(yīng)用于實踐中。

參考文獻(xiàn)

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第6篇：運(yùn)動技術(shù)的生物力學(xué)原理范文

關(guān)鍵詞：初中；立定跳遠(yuǎn)；力學(xué)；學(xué)教法

一、問題的提出

不同階段，學(xué)生的力量、速度、耐力、靈敏和柔韌等身體素質(zhì)各不相同，為此，教師必須在不同的階段，根據(jù)學(xué)生的身體素質(zhì)情況，選擇不同的體育項目，供學(xué)生練習(xí)、鍛煉。初中階段是學(xué)生力量素質(zhì)發(fā)展的敏感期，此時，教師必須增加力量教學(xué)和訓(xùn)練比重。各種跳躍運(yùn)動是發(fā)展力量素質(zhì)的最好方法，立定跳遠(yuǎn)作為提高學(xué)生下肢力量、爆發(fā)力的運(yùn)動項目，沒有過多的條件約束、簡便易行，是訓(xùn)練學(xué)生下肢力量及爆發(fā)力的一項重要運(yùn)動，能夠有效地提高學(xué)生的身體素質(zhì)。因此，為了提高學(xué)生立定跳遠(yuǎn)的成績，本文就利用運(yùn)動生物力學(xué)原理對立定跳遠(yuǎn)技術(shù)進(jìn)行了分析，以期通過理論指導(dǎo)學(xué)生實踐，使學(xué)生掌握正確的練習(xí)方法。

二、研究對象與方法

本文以立定跳遠(yuǎn)運(yùn)動為研究對象，從生物力學(xué)角度談起，就其學(xué)練法進(jìn)行了一番梳理，研究過程中運(yùn)用到了文獻(xiàn)法、教學(xué)實踐法以及總結(jié)提煉法等。

三、結(jié)果與分析

（一）立定跳遠(yuǎn)成績的組成分析

如圖1所示，立定跳遠(yuǎn)的成績S=S1+S2+S3。S1是雙腳起跳離地瞬間身體重心投影點至起跳點之間的距離，S1的大小取決于三個因素：一是身高、腿長，身高腿長在起跳角不變的情況下，重心高則S1增大；二是對于同一練習(xí)者，起跳角a的角度越小，S1越大，角度越大，S1越小，但這并不等于說起跳角a的角度越小，立定跳遠(yuǎn)成績會越好；三是起跳腳離地瞬間練習(xí)者髖、膝、踝三關(guān)節(jié)及趾關(guān)節(jié)蹬伸的伸展程度，蹬伸程度越充分則S1越大。S2是起跳腳離地瞬間重心在重心高度水平的拋射距離，根據(jù)拋射公式S2=V2×sin2a/g，g為重力加速度是常量，由此可見，S2取決于騰起初速度和拋射角度，騰起初速度越大，則S2也越大，理論上在a=45°時S2最大，但由于空氣阻力（可以忽略不計）及考慮S3，實踐中a﹤45°，理論證實a=42°時，S2+S3有最大值，這主要是因雙腳著地瞬間身體重心低于起跳腳離地瞬間身體重心之故。S3是重心回落到起跳離地重心高度水平線至雙腳著地間的距離，它由身高和落地技術(shù)動作決定，盡可能收腹舉腿、雙臂后擺并使雙腿較大幅度前伸而又不至于身體后倒的落地技術(shù)能獲得較大的S3。

（二）立定跳遠(yuǎn)的生物力學(xué)分析

1.起跳技術(shù)分析

（1）關(guān)節(jié)蹬伸速度、幅度。立定跳遠(yuǎn)的遠(yuǎn)度主要由髖、膝、踝快速蹬伸及趾關(guān)節(jié)的末端參與作用而獲得，其中各關(guān)節(jié)的蹬伸速度、蹬伸幅度及協(xié)調(diào)發(fā)力順序是決定學(xué)生立定跳遠(yuǎn)成績的關(guān)鍵技術(shù)。立定跳遠(yuǎn)起跳過程可分為下蹲和蹬伸兩個環(huán)節(jié)，前一環(huán)節(jié)是后一環(huán)節(jié)的準(zhǔn)備和基礎(chǔ)，動作質(zhì)量的好壞對后一環(huán)節(jié)有著重要的影響。起跳的任務(wù)是使人體獲得最大騰起初速度及最佳騰起角。根據(jù)公式V=2H/t可知，加大起跳時工作距離H，縮短起跳時間t，可以增大騰起的初速度。良好的下蹲動作能為蹬伸創(chuàng)造條件，而下蹲動作能使下肢三關(guān)節(jié)處于最佳的發(fā)力角度，為蹬伸環(huán)節(jié)做好必要的準(zhǔn)備。最大下蹲時下肢三關(guān)節(jié)角度的不同，會直接影響蹬伸效果，進(jìn)而影響起跳效果。而最大下蹲過后，下肢關(guān)節(jié)在短時間內(nèi)迅速伸展，給地面以爆發(fā)性力量蹬離地面的過程稱為蹬伸環(huán)節(jié)。此時，肌肉的工作形式經(jīng)由下蹲階段的離心收縮、等長收縮、迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛐氖湛s。下蹲階段伸膝肌群被動拉長，這樣，一方面大腿伸展肌群能貯存大量的彈性勢能，另一方面肌絲也有了一定的初長度（如果是最適初長度那當(dāng)然是最好），這就可以使起跳腳對地面施加更大的作用力，從而產(chǎn)生較大的垂直作用力。此外，適宜的下蹲幅度，也能使下肢肌處于最適初長度，產(chǎn)生最快的收縮速度及最大的收縮力量，提高起跳效果。

研究資料證實，120°-140°是膝關(guān)節(jié)的最佳發(fā)力角度，立定跳遠(yuǎn)準(zhǔn)備起跳時，膝關(guān)節(jié)角度小于最佳發(fā)力角度，對于成績的提高是有利的，一般都從90°左右開始蹬伸發(fā)力，且蹬伸過程中，膝關(guān)節(jié)的角度必須超過135°，有研究顯示“膝關(guān)節(jié)角在135°以上的范圍進(jìn)行發(fā)力時，屈膝肌群（股二頭肌、半腱肌、半膜肌、腓腸肌）積極參與伸膝活動，其發(fā)揮的力量較大，而且隨著膝關(guān)節(jié)角度的增加而增大”。當(dāng)然，雙腳起跳腳離地瞬間，理想的下肢姿勢是髖、膝、踝三關(guān)節(jié)完全伸直，這樣既能充分發(fā)揮三關(guān)節(jié)的肌肉力量，使力的作用點通過身體重心，又能增大力的做功距離，使雙腳離地瞬間有較高的身體重心。踝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)相比是小關(guān)節(jié)，但在立定跳遠(yuǎn)項目中卻有著非常重要的作用。“起跳階段踝關(guān)節(jié)的屈伸能力決定起跳階段的蹬伸程度，踝關(guān)節(jié)在跳高起跳過程中起著關(guān)鍵作用。”踝關(guān)節(jié)的柔韌性和肌肉力量是影響立定跳遠(yuǎn)成績的兩個重要指標(biāo)，因此在立定跳遠(yuǎn)練習(xí)中我們應(yīng)對學(xué)生的踝關(guān)節(jié)進(jìn)行有針對性的柔韌性和力量訓(xùn)練，采用多種方法與手段以提高學(xué)生的踝關(guān)節(jié)力量與伸展幅度。下肢三關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)用力能力對立定跳遠(yuǎn)成績也起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)大關(guān)節(jié)先運(yùn)動原理，立定跳遠(yuǎn)首先應(yīng)當(dāng)是髖關(guān)節(jié)進(jìn)行發(fā)力，其次是膝關(guān)節(jié)，最后是踝關(guān)節(jié)進(jìn)行用力。這種協(xié)調(diào)用力能力就如同加速度逐漸減小的變加速運(yùn)動，加速度逐漸在減小，但速度卻不斷增大。三關(guān)節(jié)完全伸直后，就能使作用力通過身體重心，提高力的利用率，進(jìn)而提高起跳效果。

（2）兩臂擺動速度及幅度。在起跳階段，當(dāng)兩臂加速上擺時，身體會產(chǎn)生一個方向向下的作用力，此力通過起跳腿傳遞到地面，從而增大了人體對地面的垂直作用力，同時地面也會給人體一個大小相等而方向相反的作用力。這樣，在起跳結(jié)束瞬間，運(yùn)動員就可獲得一個較大的垂直速度，從而跳到更高的高度。在起跳瞬間，手臂的擺動對起跳效果有著非常重要的作用。從生物力學(xué)角度來講，手臂的擺動速度應(yīng)越大越好，當(dāng)雙腿下蹲緩沖時，兩臂由身后較高位置加速向下擺動，可以減小起跳腿對地面的作用力，避免起跳腿受力過大而過度屈曲，影響起跳效果。而在起跳蹬伸階段，兩臂加速向上擺動，會對軀干施加向下的作用力，這種作用力通過起跳腿傳至地面，進(jìn)一步增加了起跳腿對地面的垂直作用力，根據(jù)牛頓第三定律，此時地面也會給人體一個大小相等、方向相反的反作用力，與不擺臂或擺臂速度很小相比，將引發(fā)地面作用于人體更大的反作用力。這樣在運(yùn)動員起跳結(jié)束瞬間，由于力的增加便能產(chǎn)生更大的垂直速度。另外，雙臂擺動后上舉，也可以提高人體重心的位置。有研究顯示，雙臂及擺動腿完全向上伸直，可以使重心提高約身高的1/10。當(dāng)起跳結(jié)束瞬間，雙臂快速制動，其慣性力的方向是向上的，能對起跳腿起到減壓的作用，對起跳腿的三關(guān)節(jié)快速蹬伸，特別是對力量較弱的踝關(guān)節(jié)快速大幅度伸展有著重要作用，對快速拔腰、提肩，帶動身體重心快速上升有積極作用。理想的手臂動作，應(yīng)是下蹲結(jié)束瞬間，兩臂在體后盡可能高的位置；在蹬伸階段，兩臂應(yīng)該向下、向前和向上快速有力地擺動。在擺動時，肘關(guān)節(jié)不應(yīng)太彎曲，理想的角度大約在90°與完全伸直之間。我們可以用雙臂向上擺動的平均垂直速度和擺動幅度來評定擺動效果。在起跳過程中，雙臂擺動的平均垂直速度當(dāng)然是越大越好，還應(yīng)有較大的擺動幅度。這對于提肩拔腰動作和雙腳離地瞬間的身體重心高度都有影響。需要注意的是，臂的擺動幅度并非越大越好，但一般雙臂的肘關(guān)節(jié)不應(yīng)低于肩關(guān)節(jié)，這樣才能形成有力的擺動和制動，提高起跳效果。

2.騰空階段技術(shù)分析

當(dāng)雙腳離地瞬間起跳動作完成，人體便以初速度V進(jìn)入斜拋的騰空階段。當(dāng)人體重心達(dá)到最高點開始下降時，上體要積極下壓，同時雙臂也應(yīng)迅速向前下方擺動，并同時收腹舉腿，同時為落地動作做好積極的準(zhǔn)備。這不僅要求學(xué)生有積極的落地意識，還要求其有較強(qiáng)的腰腹肌力量。

3.落地階段技術(shù)分析

當(dāng)雙腳與地面接觸瞬間，身體各相應(yīng)關(guān)節(jié)應(yīng)進(jìn)行積極的屈曲緩沖，雙臂積極向后下方擺動并積極制動。當(dāng)人體通過下肢與地面相互作用時，下肢各關(guān)節(jié)肌肉雖積極收縮，但由于重力的作用，仍被拉長作離心收縮，完成退讓工作。由沖量定理可知，F(xiàn)t=mv，F(xiàn)=mv /t，mg為人體體重是定量，因此若想減小人體落地時對地面的沖擊力，就必須延長力的作用時間。這種緩沖動作對于動作的順利完成及人體保護(hù)有重要的作用。

（三）立定跳遠(yuǎn)的學(xué)、練法分析

1.踝關(guān)節(jié)的力量及柔韌性學(xué)、練

通過力學(xué)及技術(shù)分析，我們可知道踝關(guān)節(jié)雖然相對于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)是小關(guān)節(jié)，但它的力量及柔韌性對立定跳遠(yuǎn)同樣有著非常重要的作用。

（1）僵尸跳：這主要是用來發(fā)展踝關(guān)節(jié)、小腿和足弓肌群的肌肉力量。雙手叉腰或自然下垂，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)伸直，主要以踝關(guān)節(jié)的屈伸來完成動作。要求：兩腳左右開立、平行向前，等于或略小于肩寬，起跳時踝關(guān)節(jié)盡最大幅度伸展，落地時用前腳掌著地屈踝緩沖，接著再跳起，每次練習(xí)50-60次，練習(xí)4-5組。

（2）單腳僵尸跳：發(fā)展小腿、腳掌和踝關(guān)節(jié)力量。上體正直，膝部伸直，單腳向上跳起。跳時主要是用踝關(guān)節(jié)的力量，用前腳掌快速蹬地跳起，離地時腳面繃直，腳尖向下。原地跳時，不規(guī)定跳的次數(shù)，以踝關(guān)節(jié)發(fā)酸為準(zhǔn)，然后換腳。每次練習(xí)重復(fù)4-5次。

（3）跪膝：此項練習(xí)在游泳初級訓(xùn)練中較為多用，主要用來發(fā)展踝關(guān)節(jié)柔韌性。要求雙膝、雙踝靠攏跪于地面，臀部坐于雙腳后跟之上。每次練習(xí)3-5分鐘。

2.膝關(guān)節(jié)技術(shù)、力量及擺臂配合學(xué)、練

膝關(guān)節(jié)是人體大關(guān)節(jié)，其力量的強(qiáng)弱直接影響著學(xué)生的立定跳遠(yuǎn)成績。

（1）蹲跳起：主要發(fā)展腿部肌肉和踝關(guān)節(jié)肌肉力量。雙腳左右開立，腳尖平行，等于或略小于肩寬，屈膝向下半蹲（膝關(guān)節(jié)角度最好等于90°），肘關(guān)節(jié)角度約120°，兩臂自然后擺，起跳時兩臂迅速有力地向前上擺，肘關(guān)節(jié)不低于肩關(guān)節(jié)，當(dāng)腳尖等離地面時迅速制動，起跳時兩腿迅速蹬伸，使髖、膝、踝三個關(guān)節(jié)充分伸展，身體成一直線，最后用腳尖蹬離地面向上跳起，落地時用前腳掌著地屈膝、曲踝緩沖，接著再跳起。每次練習(xí)25—30次，重復(fù)3—4組。

（2）連續(xù)蛙跳：主要發(fā)展下肢肌肉力量、起跳技術(shù)及上下肢的協(xié)調(diào)蹬擺能力。雙腳左右開立，腳尖平行，等于或略小于肩寬，屈膝向下半蹲，當(dāng)膝關(guān)節(jié)下蹲至90°時開始蹬伸發(fā)力準(zhǔn)備起跳，肘關(guān)節(jié)角度約120°，下蹲時兩臂自然后擺，起跳時兩臂迅速有力地向前上擺，擺動幅度為肘關(guān)節(jié)不低于肩關(guān)節(jié)，當(dāng)腳尖蹬離地面時迅速制動，起跳時兩腿迅速蹬伸，使髖、膝、踝三個關(guān)節(jié)充分伸展，身體成一直線，最后用腳尖蹬離地面向上跳起，落地時用全腳掌著地屈膝、曲踝緩沖，當(dāng)膝關(guān)節(jié)緩沖到90°時，雙臂擺至身體后下方，接著再跳起。每次練習(xí)10跳，重復(fù)3組。開始對遠(yuǎn)度不提出過多要求，主要以練習(xí)上下肢的協(xié)調(diào)技術(shù)為主，因為動作技能的形成是一個復(fù)雜的、鏈鎖的、本體感受的過程，只有在技能形成后，才能逐漸提高強(qiáng)度，打破動作平衡，重新建立動作平衡。

（3）跳伸練習(xí)：主要發(fā)展大腿肌肉退讓性工作能力。雙腳平行站立于約50cm的臺階上，向前下方跳出，雙腳落于小墊子上屈膝緩沖，當(dāng)膝關(guān)節(jié)被動屈曲至90°時雙臂由前上方擺至身體后下方，同時快速蹬伸、擺臂向前上方跳出，要求下肢三關(guān)節(jié)完全伸直，肘關(guān)節(jié)擺至肩關(guān)節(jié)上方，突然制動。每次練習(xí)6—8次，重復(fù)3—4組。膝關(guān)節(jié)這種退讓性工作能力增強(qiáng)，可以提高起跳時下蹲的速度，使退讓性工作肌群產(chǎn)生更大的彈性勢能，縮短起跳時間，從而獲得更大的初速度，提高學(xué)生立定跳遠(yuǎn)成績。

（4）啞鈴擺臂：主要發(fā)展上肢及肩帶力量。手持啞鈴肘關(guān)節(jié)成120°，雙腳成左右前弓步前后擺臂，要求擺動幅度要大，每組練習(xí)50—60次，重復(fù)4—5組；兩腳尖平行等于或略小于肩寬左右開立，雙手持啞鈴從體側(cè)至雙臂水平再至兩臂肩上舉，每組練習(xí)30次，重復(fù)3組。

（5）手持啞鈴雙腳左右開立跳：主要發(fā)展踝關(guān)節(jié)、肩帶力量及上下肢協(xié)調(diào)能力。兩腳開立至少大于肩寬，開立時雙臂擺至水平，并攏時擺至體側(cè)，要求動作連貫，節(jié)奏感強(qiáng)。每次練習(xí)30—40次，重復(fù)3—4組。

3.起跳角度及落地技術(shù)練習(xí)

圖2

實踐中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生起跳角度幾乎沒有過大而都是偏小，為了糾正學(xué)生的這一錯誤動作，教師可利用小墊子來提高學(xué)生的起跳角度，如圖2所示。小墊子斜面與地面成42°角，要求起跳時身體成一直線與墊子平面平行，當(dāng)身體重心達(dá)到最高點時收腹舉腿，積極準(zhǔn)備落地動作。為了能夠更好地完成收腹舉腿動作及意識，我們應(yīng)盡量讓學(xué)生采用跳遠(yuǎn)中的滑坐式落地方式，有小墊子的保護(hù)，這種落地方式已成為可能。

四、結(jié)語

通過立定跳遠(yuǎn)的生物力學(xué)分析，我們得知影響立定跳遠(yuǎn)成績的主要因素是下肢三關(guān)節(jié)肌肉力量及蹬伸幅度、起跳角度及上肢擺臂技術(shù)。有了理論指導(dǎo)，我們便可以有針對性地進(jìn)行學(xué)、練，從而提高練習(xí)效果。

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第7篇：運(yùn)動技術(shù)的生物力學(xué)原理范文

摘 要 斜坡跑是提高短跑速度的有效方法之一，被廣泛運(yùn)用到提高短跑成績的訓(xùn)練中，本文基于生物力學(xué)原理對斜坡跑訓(xùn)練方法現(xiàn)有研究成果進(jìn)行綜述和探討。研究表明：影響速度的因素很多，就斜坡跑訓(xùn)練方法而言，對跑速產(chǎn)生影響的直接因素步長和步頻這兩個參數(shù)的變化上影響效果明顯，科學(xué)合理的運(yùn)用斜坡跑訓(xùn)練方法對提高短跑速度具有積極意義。

關(guān)鍵詞 斜坡跑 訓(xùn)練方法 步長 步頻

一、前言

斜坡跑是提高短跑速度的有效方法之一，被廣泛運(yùn)用到提高短跑成績的訓(xùn)練中。國內(nèi)外對斜坡跑進(jìn)行廣泛的研究，有學(xué)者認(rèn)為，斜坡跑對提高短跑速度有比較明顯的作用；斜坡跑除了能提高速度耐力、力量和心肌功能外，還能讓運(yùn)動員體驗超過自己速度能力的動作感受，改善運(yùn)動員的加速疾跑能力，從而增大步幅和縮短支撐階段時間，幫助運(yùn)動員掌握加速跑的技術(shù)。

二、斜坡跑訓(xùn)練方法的運(yùn)動生物力學(xué)原理

斜坡跑包括上坡跑和下坡跑，上坡跑是一種抗阻力性速度力量練習(xí)，在阻力增加的情況下增加訓(xùn)練強(qiáng)度，獲得無氧練習(xí)的效果，從而改善心血管的機(jī)能。上坡跑加強(qiáng)了股四頭肌、臀大肌等下肢肌群的力量，有利于提高步長。下坡跑是一種神經(jīng)系統(tǒng)適應(yīng)性訓(xùn)練，下坡跑是人們有意識地利用自然的或人工的斜坡，根據(jù)勢能與動能轉(zhuǎn)換的原理進(jìn)行訓(xùn)練，有利于提高步頻。

影響步長的因素主要有：一是腿部的肌力，腿部的肌力越大，產(chǎn)生的后蹬反作用力相對越大，跑的步幅則越大；二是腿長和髖關(guān)節(jié)的靈活性與柔韌性，下肢越長、髖關(guān)節(jié)的靈活性與柔韌性越好，跑的步幅則越大；三是后瞪的角度與擺動腿擺動的方向，從理論上講，擺動腿與后蹬腿的角度與方向直接影響步幅越大小。對于跑的步頻而言，其影響因素有兩個：一是肌肉中快肌纖維百分比和肥大程度。二是神經(jīng)過程的靈活性，大腦皮層運(yùn)動中樞興奮與擬制的轉(zhuǎn)換速度是影響位移速度的重要因素。另外，跑動時兩腿擺動情況和騰空時與支撐時的相對時間（比值）對步長和步頻也有影響。

三、成果研究現(xiàn)狀

近年來大量文獻(xiàn)資料和研究報道表明，有關(guān)短跑技術(shù)和速度訓(xùn)練方法的研究選題，多集中在短跑運(yùn)動員步長、步頻訓(xùn)練方法與運(yùn)動員的中樞神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)能的改善及其專項肌肉力量的訓(xùn)練手段方面。對于斜坡跑的原理和訓(xùn)練方法雖然，前人曾做過一些表述和研究，但大多文獻(xiàn)報道僅限于對斜坡跑手段應(yīng)用方式的定性分析與斜坡跑的坡度問題。盡管國內(nèi)外大多學(xué)者均十分肯定斜坡跑訓(xùn)練對提高絕對速度的作用，且認(rèn)為斜坡跑對改進(jìn)運(yùn)動員的步頻與步長技術(shù)具有積極效果。其相關(guān)的論述與見解多散見于各類短跑和速度方面的文獻(xiàn)資料和研究報道之中。

（一）關(guān)于斜坡跑與步長步頻的訓(xùn)練問題

閆春華在《百米速度結(jié)構(gòu)分析及有關(guān)技術(shù)訓(xùn)練手段研究》（博士論文，2004）一文中提出：斜坡跑作為一種超速訓(xùn)練的方法被廣泛使用，超速訓(xùn)練的目的是通過強(qiáng)迫運(yùn)動員完成超出自身能力水平的練習(xí)，來增加步頻和步長。在經(jīng)過4-8周的超速訓(xùn)練后，被試者的步頻和步長都得到了提高。這說明斜坡跑作為一種訓(xùn)練方法對步頻、步長和短跑跑速的提高具有積極的作用。

下坡跑時，當(dāng)運(yùn)動員動作速率發(fā)揮到最高值時，控制并穩(wěn)定速度是很困難的。這是由于下坡重力所產(chǎn)生的慣量。這種慣量隨距離的延長而增大，這種逼迫速率的加快運(yùn)動現(xiàn)象，也正是下坡跑能提高頻率的所在。如果在練習(xí)中不對運(yùn)動員的跑動動作提出任何技術(shù)要求，或讓運(yùn)動員在一定距離范圍內(nèi)堅持正確的動作要求，斜坡跑的練習(xí)效果會受到影響[2-4]。還有研究表明，下坡跑步頻沒有任何增加，只有步幅加大。步幅的增長意味著展髖的幅度加大和髖部轉(zhuǎn)動角速度加快，同時對髖部的伸髖速度和力量起積極作用；上坡跑對改善或提高運(yùn)動員的快速力量、速度耐力和增大步長是非常有效的訓(xùn)練手段（昆茲、考夫曼1997）。

（二）關(guān)于斜坡跑與神經(jīng)―肌肉控制機(jī)理的研究

美國學(xué)者弗拉基米爾M?扎齊奧爾斯基在其主編的《運(yùn)動生物力學(xué)》（2004）一書中指出：步長和步頻的可變性表明，中樞神經(jīng)系統(tǒng)的靈活性（CNS）在控制這些參數(shù)方面起到了重要的作用。最高速度跑是人體調(diào)動各種能力，并使其充分發(fā)揮的集中體現(xiàn)，他對人體能量的消耗以及神經(jīng)系統(tǒng)的興奮和擬制的轉(zhuǎn)換頻率的要求是很高的。因此，在最高速度之后，肌體實現(xiàn)第二次調(diào)節(jié)其重要性和必要性同第一次調(diào)節(jié)具有同等的意義[5]。有作者還提出，構(gòu)成跑速的兩個主要因素――步長、步頻是互為影響和相互制約的。對于步長和步頻兩個變量的作用來說，提高或改進(jìn)其中任何一個變量都可提高跑速，同時這兩個變量之間又呈現(xiàn)一定函數(shù)關(guān)系[6]。步長和步頻的可變性表明，中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）在靈活控制這些參數(shù)方面必然起到了一定的作用[7]。伊托等人的研究（1983）表明，助力訓(xùn)練能進(jìn)一步發(fā)展神經(jīng)肌肉系統(tǒng)對肌肉拉長――收縮周期運(yùn)動的控制能力，提高短跑運(yùn)動員支撐階段的動作效果，從而提高跑速。

有作者在《現(xiàn)代100米跑技術(shù)的生物力學(xué)分析及放松技術(shù)再探析》一文中認(rèn)為，步頻的發(fā)展取決于大腦皮質(zhì)運(yùn)動中樞神經(jīng)系統(tǒng)的支配，斜坡跑獲得的助力作用可以使運(yùn)動員感受放松速跑的肌肉用力情況、體驗“放松快跑”的方法和好處。上坡跑要求運(yùn)動員著力體會以髖為軸的大腿前擺和髖關(guān)節(jié)的積極前送與踝關(guān)節(jié)及腳的快速趴地，不要刻意后蹬，這種跑法既符合現(xiàn)今短跑技術(shù)的要求，又有利于下肢肌肉用力的放松與控制。通過上坡跑還能切實有效地實現(xiàn)短跑所需的“快速力量”訓(xùn)練。就是說上坡跑不僅可以改進(jìn)、掌握正確的跑的技術(shù)，還可以同時發(fā)展短跑所需的專門力量。由于步長和步頻相對獨(dú)立，表明步長和步頻受兩種不同的神經(jīng)系統(tǒng)控制方式調(diào)節(jié)――步頻的頻數(shù)調(diào)節(jié)和步長的幅度調(diào)節(jié)（羅新建2003）。Bonnard和Pailhous（1993）認(rèn)為，神經(jīng)系統(tǒng)對步長和步頻控制的方式不同。步頻的改變與擺動階段下肢的整體剛性有關(guān)，與支撐階段無關(guān)。這表明改變擺動期間下肢肌肉的緊張性可以改變頻率。大部分或整個腿部肌肉緊張性的改變，都將改變下肢繞髖關(guān)節(jié)擺動的相對頻率。Bonnard和Pailhous進(jìn)一步指出，步長的短暫變化與腿部肌肉的相位活動有關(guān)。Patla等（1989）研究表明，步長的短暫增加，實際上是一些肌肉的活動相位增加，而另一些肌肉的活動相位減少造成的。在無約束的走路或跑步時，雖然步長和步頻可相對固定，但如果需要的話，中樞神經(jīng)系統(tǒng)有能力分離步長和步頻。Hogan（1984）提出了這種分離的生理機(jī)制。當(dāng)關(guān)節(jié)周圍對抗肌同時活動時，凈關(guān)節(jié)力矩與對抗肌的肌力之間差異有關(guān)，關(guān)節(jié)的剛性則與所有肌力的總和有關(guān)。如果中樞神經(jīng)系統(tǒng)積極調(diào)節(jié)對抗肌的協(xié)同作用，那么步長和步頻能在有限的范圍內(nèi)各自獨(dú)立變化。

在各種提高跑速的訓(xùn)練手段中，斜坡跑以其獨(dú)特的方法和顯著效用，引起了專業(yè)和非專業(yè)運(yùn)動隊的普遍重視，斜坡跑正在被廣泛運(yùn)用到提高短跑成績的訓(xùn)練中。有學(xué)者對斜坡跑對短跑速度的影響進(jìn)行廣泛的研究，這些作者共同認(rèn)為：斜坡跑對提高短跑速度有比較明顯的作用；斜坡跑除了能提高速度耐力、力量和心肌功能外，還能幫助運(yùn)動員掌握加速跑的技術(shù)動作，改善運(yùn)動員的加速疾跑能力；斜坡跑能讓運(yùn)動員體驗超過自己能力的速度，可以是步幅增大和縮短支撐階段時間[6-7]。斜坡跑包括上坡跑和下坡跑，上坡跑是一種抗阻力性速度力量練習(xí)，是跑動阻力增加的情況下獲得無氧效果，從而改善心血管的機(jī)能，增強(qiáng)下肢股四頭肌、臀大肌這兩塊重要的肌群，同時提高步長；下坡跑是一種神經(jīng)系統(tǒng)適應(yīng)性的訓(xùn)練，就是有意識地設(shè)置自然的或人工的斜坡，根據(jù)勢能與動能轉(zhuǎn)換的原理進(jìn)行訓(xùn)練，同時提高步頻。

四、結(jié)論

（一）對于步長和步頻兩個變量的作用來說，步長和步頻的可變性表明，中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）在靈活控制這些參數(shù)方面必然起到了一定的作用[7]。助力訓(xùn)練能進(jìn)一步發(fā)展神經(jīng)肌肉系統(tǒng)對肌肉拉長――收縮周期運(yùn)動的控制能力，提高短跑運(yùn)動員支撐階段的動作效果，從而提高跑速。

（二）斜坡跑道的坡型對練習(xí)進(jìn)行組合，以控制斜坡跑的練習(xí)強(qiáng)度和負(fù)荷，從而改善跑的步長和步頻。

基金項目：年陜西省教育廳專項科研計劃項目（編號：11JK0464）。

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第8篇：運(yùn)動技術(shù)的生物力學(xué)原理范文

[關(guān)鍵詞] 全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)；假體；生物力學(xué)；動力學(xué)模型

[中圖分類號] R687.4 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673-9701（2013）17-0015-02

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)在全世界每年都在快速地增長，經(jīng)過幾十年的蓬勃發(fā)展，取得了很大進(jìn)展。如今全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)成為治療晚期骨性關(guān)節(jié)炎、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等疾病的最有效的方法，被大多數(shù)骨科醫(yī)生認(rèn)知，對減輕患者膝關(guān)節(jié)疼痛和改善膝關(guān)節(jié)功能有顯著的療效，然而術(shù)后出現(xiàn)假體松動、伸屈和負(fù)重后出現(xiàn)畸形、疼痛等并發(fā)癥，已經(jīng)引起了廣大骨科醫(yī)生足夠的重視。選擇高質(zhì)量的假體、設(shè)計個體化的假體和制定精確化的手術(shù)，成為骨科醫(yī)生必須解決的問題。本文對近年來人工膝關(guān)節(jié)手術(shù)指征、假體、生物力學(xué)模型以及手術(shù)方式的演變進(jìn)行闡述；并結(jié)合目前最新發(fā)展的技術(shù)，對TKA未來發(fā)展的方向進(jìn)行了展望和預(yù)測。

1 手術(shù)指征

迄今為止，TKA的手術(shù)適應(yīng)證仍然沒有得到統(tǒng)一。不論是何種類型的關(guān)節(jié)炎，只要有關(guān)節(jié)不能耐受的疼痛或者有明顯破壞，都可以進(jìn)行人工關(guān)節(jié)置換。但必須注意以下幾點：①患者年齡>60歲，②體重>80 kg，這也不是絕對的，可以根據(jù)實際情況作出判斷。除此之外，患者生活的質(zhì)量也是影響手術(shù)成敗的一個關(guān)鍵因素，如血友病、骨骼發(fā)育不全、幼年型類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎常有多關(guān)節(jié)病變，TKA能很好地解決患者的關(guān)節(jié)功能受限。

2 假體的演變及分類

1969年，最原始的膝關(guān)節(jié)假體[1]——多中心假體，其最難解決的問題就是術(shù)后假體松動。1971年出現(xiàn)的幾何學(xué)型假體[2]，最大的亮點就是符合生物力學(xué)的要求去匹配關(guān)節(jié)，然而遺憾的是沒能夠解決假體松動的難題。1973年，Insall開創(chuàng)了人工膝關(guān)節(jié)發(fā)展的巔峰時刻，研制了全髁型假體，后來還改進(jìn)并開發(fā)了旋轉(zhuǎn)平臺假體。接著Insall又發(fā)明了后方穩(wěn)定型的假體，這是人類史上最能滿足患者需要的膝關(guān)節(jié)假體之一。但是依然不能很好地避免術(shù)后假體的磨損、松動情況發(fā)生。

按固定方式可分為骨水泥型、非骨水泥型；按置換范圍可分為單髁型、全髁型；按活動范圍分為固定型、旋轉(zhuǎn)平臺型；按限制程度又分為限制型、非限制型。盡管有龐大的假體系統(tǒng)供我們選擇，根據(jù)患者自身條件選擇最合適類型的假體，直接關(guān)系到手術(shù)效果。相對于膝關(guān)節(jié)表面置換術(shù)，單髁關(guān)節(jié)置換術(shù)對病變間室進(jìn)行表面置換，適用于單間室骨關(guān)節(jié)炎，內(nèi)側(cè)髁進(jìn)行置換已經(jīng)發(fā)展成熟，但外側(cè)髁置換罕見報道。UKA的早期因假體設(shè)計、病例選擇、手術(shù)技術(shù)等問題，失敗率較高。Riddle等[3]報道美國UKA置換數(shù)量逐年明顯增加。目前以骨水泥固定型人工關(guān)節(jié)居多；只要很好地把握手術(shù)指征、熟練掌握關(guān)節(jié)置換的技能，也會得到顯著的療效[4，5]。而生物型固定型假體的制造原理是通過骨與假體之間的緊密貼附達(dá)到穩(wěn)固的作用。但是這種假體對骨骼質(zhì)量、術(shù)者操作能力的要求高，而且術(shù)后恢復(fù)功能的時間長。限制性假體主要指鉸鏈?zhǔn)郊袤w，術(shù)后膝關(guān)節(jié)只能在某一平面運(yùn)動內(nèi)活動，容易發(fā)生假體與骨水泥和骨組織之間應(yīng)力分布高，從而出現(xiàn)假體松動[6]，現(xiàn)在很少用在初次TKA的患者上，但是對于二次翻修術(shù)、骨腫瘤術(shù)后的關(guān)節(jié)的重建、嚴(yán)重的關(guān)節(jié)不穩(wěn)等患者[7，8]有顯著療效。臨床上常用的非限制型假體有三大類：后方穩(wěn)定型假體、側(cè)副韌帶穩(wěn)定型假體、保留后交叉韌帶型假體。針對人TKA中是否需要保存后十字韌帶，目前還有很多的工作需要進(jìn)行。Wang等[9]進(jìn)行了一系列研究發(fā)現(xiàn)臨床效果并沒有顯著的提高。認(rèn)為后交叉保留型假體沒有破壞后交叉韌帶，膝關(guān)節(jié)在屈曲的時候，股骨會向后方移動，從而增加了膝關(guān)節(jié)的活動度，而周圍的韌帶能把運(yùn)動產(chǎn)生的應(yīng)力抵消，使接觸力明顯下降[10]。因此，要最大程度地維持膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定，降低假體-骨水泥-骨組織界面應(yīng)力，后十字韌帶必須保留；而不保留后十字韌帶的后方穩(wěn)定型假體的研制是為了增加穩(wěn)定性、減少假體間應(yīng)力。通常不保留后叉韌帶的后方穩(wěn)定型假體[11]首選嚴(yán)重畸形及后叉韌帶有缺損的患者。

3 膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型

3.1 物理模型

膝關(guān)節(jié)物理模型是將膝關(guān)節(jié)運(yùn)動機(jī)制概括為四連桿的模型[12]。有學(xué)者認(rèn)為膝關(guān)節(jié)是由十字韌帶和股、脛骨在矢狀面上構(gòu)成的四連桿結(jié)構(gòu)。脛骨平臺與股骨髁接觸的狀態(tài)下，十字韌帶的拉伸不明顯[13]。十字韌帶的長度及其在股骨、脛骨上的附著位置計算可以得到其形態(tài)。因此膝關(guān)節(jié)物理模型可以簡化成以十字韌帶為核心的股脛關(guān)節(jié)二維模型[14]。還有些學(xué)者建立了三維的四連桿股脛關(guān)節(jié)模型[15]，并對股骨、脛骨的位置進(jìn)行了基本的描述。

3.2 解剖模型

膝關(guān)節(jié)解剖學(xué)模型的建立必須先完成其幾何解剖模型。Perie等利用MRI、袁平等利用計算機(jī)分別以標(biāo)本和人體膝關(guān)節(jié)為核心建立了幾何模型[16，17]。張文等[18]以實體膝關(guān)節(jié)為研究對象，把原始數(shù)據(jù)都導(dǎo)入ANSYS軟件計算三維有限元模型，并對模型以及膝關(guān)節(jié)的受力情況進(jìn)行了分析。Silvia根據(jù)MRI掃描得到的dicom數(shù)據(jù)利用計算機(jī)處理得到了下肢的骨肌三維模型[19]。最典型的是潘哲爾等[20]模擬的三維有限元模型能夠真實地模擬膝關(guān)節(jié)的力學(xué)特性。目前，對于膝關(guān)節(jié)軟骨和半月板幾何模型的建立也有零星報道。但是沒有一個確實依據(jù)證實其準(zhǔn)確性。

3.3 運(yùn)動學(xué)模型

Hefzy等[21]將解剖模型分為運(yùn)動學(xué)模型和動力學(xué)模型，描述了運(yùn)動學(xué)模型并建立膝關(guān)節(jié)的各個運(yùn)動學(xué)參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，但并未將這些運(yùn)動學(xué)參數(shù)與負(fù)荷的大小相聯(lián)系。Hartfel等[22]將螺旋軸的問題擴(kuò)展到三維立體空間上。證實了兩個物體運(yùn)動時，兩個直紋曲面是由于螺旋軸位置的連續(xù)性改變形成的。然而不足的是，Hartfel等應(yīng)用的數(shù)據(jù)不能構(gòu)建出精確的螺旋軸曲面模型。構(gòu)建膝關(guān)節(jié)精確的螺旋軸曲面模型還有很多工作需要進(jìn)行。

4 膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)方式的發(fā)展

TKA的遠(yuǎn)期療效關(guān)鍵因素是恢復(fù)精確的下肢力線，這就涉及到術(shù)中精確截骨和軟組織的平衡。通過文獻(xiàn)分析得出以下結(jié)論：術(shù)后恢復(fù)的下肢力線應(yīng)控制在冠狀面上膝內(nèi)外翻3°以內(nèi)；假體的安置應(yīng)控制股骨髁假體應(yīng)相對于后髁軸線外旋3°～6°，并平行于STEA。傳統(tǒng)的TKA通常是用手工定位截骨，術(shù)者僅憑肉眼和手感輔以術(shù)中X線片來判斷假體安置時下肢力線和軟組織平衡等情況，必然會影響截骨的精確度，即使是經(jīng)驗豐富的關(guān)節(jié)外科醫(yī)生，也會出現(xiàn)>3°的下肢力線不良等結(jié)果，以及旋轉(zhuǎn)定位與關(guān)節(jié)穩(wěn)定等問題，術(shù)中必然會出現(xiàn)難以估量的因素。因此，傳統(tǒng)TKA的精確度一直是手術(shù)醫(yī)生最棘手的問題。迄今為止，誕生了一些手術(shù)裝置，但由于膝關(guān)節(jié)的特殊性，尤其是患者伴有膝關(guān)節(jié)嚴(yán)重畸形，給精確的定位和截骨、假體的選擇和安置帶來了重重困難。為了獲得良好的膝關(guān)節(jié)置換效果，計算機(jī)輔助人工膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，從1993年格勒諾布爾著手計算機(jī)輔助人工膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)系統(tǒng)的研制，于1997年計算機(jī)導(dǎo)航TKA系統(tǒng)開始在臨床使用，目的是解決手術(shù)醫(yī)生困惑已久的難題，達(dá)到理想的手術(shù)療效[23]。計算機(jī)輔助膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)系統(tǒng)對置換的膝關(guān)節(jié)在屈伸過程中的等距間隙和韌帶平衡穩(wěn)定有獨(dú)特的控制能力。計算機(jī)導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)在術(shù)中可以密切觀察，能夠精確地控制軟組織平衡，而且能獲得膝內(nèi)外翻3°范圍內(nèi)的精確的下肢力線和屈伸膝關(guān)節(jié)的間隙平衡。

5 展望

人工膝關(guān)節(jié)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在基礎(chǔ)研究、假體設(shè)計、生物力學(xué)以及手術(shù)技術(shù)等方面均取得了卓越的成就。但是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)計出個性化假體、提高假體的使用壽命和提高術(shù)后的功能、減輕手術(shù)創(chuàng)傷和提高手術(shù)精確度，數(shù)字化醫(yī)學(xué)將是今后努力的方向，也必將會對骨科學(xué)帶來革命性的變化。

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第9篇：運(yùn)動技術(shù)的生物力學(xué)原理范文

【摘要】 ［目的］利用工程力學(xué)分析軟件CatiaV5，模擬在不同的肩關(guān)節(jié)功能位置上、間接沖擊暴力所致肱骨骨折的受傷力學(xué)機(jī)制和力學(xué)環(huán)境，為認(rèn)識和治療肱骨骨折提供生物力學(xué)依據(jù)。［方法］采用高分辨率的人體肩關(guān)節(jié)斷層解剖圖作為三維重建的數(shù)據(jù)源，選取自鎖骨頂端至肱骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面、共380層的斷層圖像，層厚1 mm，按照點、線、面的建模方式，先建立人體肩關(guān)節(jié)的三維幾何模型，再予網(wǎng)格化，建立人體肩關(guān)節(jié)的三維有限元模型，利用該模型，模擬在12個不同的肩關(guān)節(jié)功能位置上（外展30°、 45°、 60°、 90°、同時合并內(nèi)旋、中立、外旋）、肱骨受到分級加載的軸向沖擊載荷時的骨折位置以及瞬時的應(yīng)力、應(yīng)變狀況。［結(jié)果］根據(jù)肱骨在不同的功能位置上載荷－應(yīng)變關(guān)系曲線，載荷從0～250 N時，呈線性變化，后為非線性期，卸載后，殘余骨變形；隨著載荷的增加，肱骨干的應(yīng)變隨之增加。當(dāng)肩關(guān)節(jié)的外展位置由90°逐漸變?yōu)?0°時，肱骨干上內(nèi)外側(cè)應(yīng)變逐漸增加，內(nèi)外旋45°時應(yīng)變比中立位時增加顯著；同時，肱骨干內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力不同，內(nèi)側(cè)應(yīng)力大，外側(cè)應(yīng)力小，內(nèi)外旋時，肱骨干的應(yīng)力增加更快、更大。［結(jié)論］在肩關(guān)節(jié)不同的功能位置上，三維有限元分析逼真地模擬出各自不同的肱骨應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)值及骨完整性受到破壞的三維圖像、骨折線的大體走向；肱骨骨折的三維有限元模擬和分析是研究與骨折相關(guān)的力學(xué)原理的非常有價值的方法。

【關(guān)鍵詞】 間接暴力； 肱骨骨折； 三維有限元； 模擬

Abstract：［Objective］To simulate the biomechanics mechanism and environment of humeral fracture caused by indirect impact force for the purpose of biomechanics understanding and treatment of such fracture.［Method］Based on the data source， which was highresolution anatomic slice images from approximal clavicle to distal humerus， 1 mm thickness and totally 380 layers， the geometric model of total shoulder joint was established according to the order:point， line，area， and further meshed to set up the three dimension finite element model of shoulder， fracture sites and instantaneous stress and strain of humerus were simulated and analyzed under the condition which longitudinal impact force was loaded on the humerus based on the 12 functional positions of shoulder(abduction 30°、 45°、 60°、 90°， and simultaneous neutrality， internal rotation 45°，external rotation 45°).［Result］According to the humeral shaft loadstrain curve in different functional positions of shoulder， linear relation was found when load changed from 0 N to 250　N， after which nonlinear come out， and even load was removed ， bone was deformed eternally. With the rise in load amount， the increase in stress was detected. When abduction degree changed from 90° to 30°， the strain of humerus， both the lateral and the medial increased gradually，and increase in internal rotation 45°and external rotation 45° was more significant than that in neutrality. Meanwhile， stress difference could be seen between the lateral and the medial ， and medial was larger than the lateral. Increase in stress in rotation positions was quicker and more than that in other functional positions.［Conclusion］Based on 4 abduction degrees (30°， 45°， 60°， 90°) and 3 rotation degrees(neutrality， internal rotation 45°，external rotation 45°) ，the three dimensional finite element shoulder could simulate precisely stress， strain， general trend of fracture line， three dimension images of bone failure. Three dimension finite element simulation and analysis of shoulder is a valuable mechanical method for research on biomechanics theory related to humerus fracture.

Key words：indirect impact force; humerus fracture; three dimensional finite element; simulation

臨床上，肱骨骨折的發(fā)生率并不少見。目前，對于肱骨骨折確切的損傷機(jī)制尚缺乏較深刻的了解，較透徹的闡明肱骨骨折的機(jī)制方面的知識對于肱骨骨折的預(yù)防和治療將會產(chǎn)生重要的指導(dǎo)意義。本研究就是利用人體肩關(guān)節(jié)的三維有限元模型，模擬不同的軸向沖擊載荷下，肱骨的形變情況，并顯示其動態(tài)過程，探討肱骨骨折的受傷應(yīng)力機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的幾何實體重建

采用高分辨率的人體肩關(guān)節(jié)斷層解剖圖作為三維重建的數(shù)據(jù)源，按照點－線－面－體的方式建立肩關(guān)節(jié)的幾何實體形狀，可以分別顯示皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、軟骨及髓腔結(jié)構(gòu)，在Catia V5運(yùn)行平臺上可以任意角度轉(zhuǎn)動，觀察模型的解剖結(jié)構(gòu)和方向（圖1）。

1． 2 肩關(guān)節(jié)三維有限元模型的構(gòu)建

肩關(guān)節(jié)的三維實體建模完成后，根據(jù)材料特性的不同，定義軟骨、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨材料力學(xué)參數(shù)（表1）。選用10節(jié)點的四面體單元，該四面體具有6個方向的自由度，在Catia V5運(yùn)行平臺上，定義肩關(guān)節(jié)的各項參數(shù)和指標(biāo)，選擇中上等精度的自動網(wǎng)格劃分模式，對肩關(guān)節(jié)進(jìn)行自動網(wǎng)格化，生成3 977個節(jié)點（nodes）、20 919個四面體單元（elements）（圖2）。表1 肩關(guān)節(jié)的材料力學(xué)參數(shù)（Joseph. A等 2002年）

1.3 肩關(guān)節(jié)不同功能位置上肱骨骨折的三維有限元模擬

啟動Catia V5的結(jié)構(gòu)模塊。根據(jù)盂肱關(guān)節(jié)面的接觸關(guān)系，及肱骨頭的旋轉(zhuǎn)中心的確立，固定肩胛骨相對不動，將肱骨分別從0°位外展到30°、45°、60°、90°每個位置上；分別設(shè)定3種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)：中立位、外旋45°、內(nèi)旋45°，從而將肩關(guān)節(jié)的動態(tài)功能過程分割成12個不同的功能位置。在每一個位置下，根據(jù)盂肱關(guān)節(jié)面接觸區(qū)域的位置和范圍，設(shè)定肱骨的邊界約束，限制其所有方向的自由度。

自肱骨遠(yuǎn)端分別加載以0.1 s梯度增加的300 N軸向沖擊載荷，載荷持續(xù)時程為1 s，同時自肱骨大結(jié)節(jié)加載50 N水平恒定載荷，啟動Catia V5的求解模塊，計算機(jī)進(jìn)入沖擊受力分析模塊程序。運(yùn)算結(jié)束后，得到動態(tài)顯示的加載－形變過程，分析其應(yīng)力分布和骨折移位狀況。根據(jù)圖像的模擬結(jié)果，我們可以判斷不同的功能位置上的骨斷裂的位置和移位方向，根據(jù)節(jié)點的斷裂度判斷骨折線的大致走向。

2 結(jié) 果

計算機(jī)運(yùn)算結(jié)束后，得到12個功能位置上、暴力載荷下的肱骨應(yīng)力、形變趨勢，并且動態(tài)展示出來。本文以45°外展位為例(圖3～5)；此外， 通過鼠標(biāo)取值，可以記錄肱骨上的平均應(yīng)變值（圖6），從而進(jìn)一步繪制載荷－應(yīng)變曲線（圖7），了解肱骨隨載荷變化的生物力學(xué)規(guī)律。

轉(zhuǎn)貼于

3 討 論

3.1 本研究中骨折模擬的力學(xué)合理性

造成骨折的原因有內(nèi)因和外因兩個方面，前者是指骨結(jié)構(gòu)本身的特性，例如材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)，后者是指骨骼受外力的方向、大小、變化速度以及肢體的空間位置等［1］。對于肱骨骨折而言，常見于摔倒時，上肢撐地，沖擊載荷在較短的時間內(nèi)通過間接傳遞作用于骨骼，造成骨折［2］；同時，由于人體上臂具有靈活的運(yùn)動范圍，故摔倒時，肱骨可以有多個不同的功能位置，而這種位置直接影響骨骼的受力矢量，因此，本研究在前期肩關(guān)節(jié)三維有限元模型和肩關(guān)節(jié)試驗力學(xué)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，模擬不同功能位置上的肱骨骨折狀態(tài)，是符合肩關(guān)節(jié)生物力學(xué)原理的［3］。

3.2 三維有限元分析法模擬肱骨骨折的優(yōu)勢所在

肱骨發(fā)生骨折時，由于其瞬時性的特點，往往很難重復(fù)其具體過程，無法對其進(jìn)行實時分析。試驗研究的條件下進(jìn)行骨折力學(xué)分析時，當(dāng)載荷超過骨的極限強(qiáng)度時，骨小梁斷裂，骨結(jié)構(gòu)的完整性破壞。目前的力學(xué)記錄儀器尚不能記錄峰值強(qiáng)度以后的骨應(yīng)力和骨應(yīng)變，特別是骨的內(nèi)部力學(xué)狀況，所以，用試驗的方法研究骨折的力學(xué)機(jī)制存在著明顯的不足，它不能提供骨折完整過程的信息，故本研究嘗試用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，憑借工程力學(xué)的軟件，按照生物力學(xué)的原理，去研究肱骨骨折的損傷機(jī)制，是對試驗力學(xué)有力的補(bǔ)充和完善。運(yùn)用三維的視覺環(huán)境，高度形象地模擬骨折的形變和應(yīng)力分布。作為一項被運(yùn)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的計算機(jī)技術(shù)，三維有限元分析法可以高度模擬物體結(jié)構(gòu)與材料的特性；既可以精確地反映區(qū)域性的信息，又可以完整地反映全域性的信息；既可以進(jìn)行精確的計算分析，又可以從事形象的、直觀的定性研究，分析研究的重復(fù)性好，應(yīng)用面廣，適應(yīng)性強(qiáng)，可以反復(fù)使用，無損耗，能夠通過模擬分析的方法研究實驗方法所不能研究的工況（或生理狀況），得到客觀實體實驗法所難以得到的研究結(jié)果［4］。

3.3 有限元模擬肱骨骨折受傷機(jī)制的臨床意義

從肱骨骨折的三維有限元動態(tài)模擬圖像資料上看，當(dāng)關(guān)節(jié)盂實施邊界約束、肱骨大結(jié)節(jié)加載基礎(chǔ)載荷、于肱骨遠(yuǎn)端加載以0.1 s梯度增加的300 N沖擊載荷時，應(yīng)力逐漸由肱骨遠(yuǎn)端移向骨干部，隨著力的傳遞，壓力集中在肱骨頸干交界部位和干部上段部分，應(yīng)力在其前側(cè)和/或內(nèi)側(cè)達(dá)到最大聚積；而與此同時，與關(guān)節(jié)盂相接觸的肱骨關(guān)節(jié)面的部分，應(yīng)力也逐漸增加，這兩個應(yīng)力集中區(qū)域在沖擊載荷作用下，應(yīng)力增加不顯著。骨應(yīng)變圖提示這個區(qū)域此時承載的載荷逐漸轉(zhuǎn)成張力區(qū)，2種載荷交界區(qū)域即是骨小梁承受彎曲最大的部位，當(dāng)能量完全釋放，骨小梁斷裂，骨折線產(chǎn)生，遠(yuǎn)段肱骨部分移向后側(cè)或/和外側(cè)。應(yīng)變是應(yīng)力作用于骨組織的的結(jié)果，伴隨著應(yīng)力的變化，肱骨上應(yīng)變發(fā)生變化，骨形變不可避免。另外，作者看到，在12個不同的功能位置上，相同的加載時，肱骨的應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生了轉(zhuǎn)移和變化。當(dāng)從30°90°外展時，高應(yīng)力區(qū)由內(nèi)側(cè)逐漸轉(zhuǎn)向外側(cè)，而以 60°外展外旋位置上應(yīng)力最高，達(dá)3.13 MPa。也就是說在這個位置上摔倒時，骨骼承受最大的應(yīng)力，骨應(yīng)變在此區(qū)域最大，故骨折發(fā)生率較高，特別對于本身骨強(qiáng)度減弱的情況下（例如、

圖1 肩關(guān)節(jié)的三維幾何實體重建圖像 圖2 肩關(guān)節(jié)的三維網(wǎng)格化 圖3 45°外展中立位的骨折形變模擬過程（ae.形變過程；f.骨折線的走行） 圖4

45°外展內(nèi)旋位的骨折形變模擬過程（ae.形變過程；f.骨折線的走行）

圖5 45°外展外旋位的骨折形變模擬過程（ae.形變過程；f.骨折線的走行） 圖6 箭頭所指為鼠標(biāo)取值 圖7 外展45°位置上中立位、外旋45°、內(nèi)旋45°時肱骨干上載荷－應(yīng)變關(guān)系曲線質(zhì)疏松時），在30°外展位置上易發(fā)生由肱骨外科頸和肱骨上段后上向前下的骨折移位［5］；而在90°外展加載時，骨折線接近橫行走向，因此可以推測在健康人群中，肩關(guān)節(jié)30°～90°范圍摔倒時，骨折線由斜形逐漸變成橫行，且肱骨外科頸和肱骨上段時更易于骨折和移位置［6，7］。

此外，不同的肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)位置對肱骨骨折也產(chǎn)生一定的影響。從圖像中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)內(nèi)旋和外旋時，肱骨上的應(yīng)力分布發(fā)生轉(zhuǎn)移。內(nèi)旋時，高應(yīng)力區(qū)移向肱骨的前外側(cè)，外旋時，高應(yīng)力區(qū)移向肱骨的內(nèi)側(cè)，并伴隨骨折線出現(xiàn)部位的轉(zhuǎn)移。根據(jù)動態(tài)模擬圖像中，可以清晰顯示骨折的動態(tài)現(xiàn)況，且可以反復(fù)回放，任意提取任何一個需要的信息。

3.4 肩關(guān)節(jié)有限元模擬分析的應(yīng)用前景

本研究中所建立的肩關(guān)節(jié)三維有限元是一個良好的生物力學(xué)研究工具，利用它，不僅可以對關(guān)節(jié)的骨性結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，同時通過建立三維連接單元，還可以重建肩關(guān)節(jié)的任一個軟組織結(jié)構(gòu)；通過這些軟組織的試驗力學(xué)測試，獲得相關(guān)的材料參數(shù)，同樣可以將軟組織的有限元模型建立起來，繼而進(jìn)行力學(xué)分析。本論文僅僅對肱骨骨折實施了有限元的模擬，使用同樣的方法，可以對其他肩關(guān)節(jié)的其他結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理進(jìn)行模擬，如鎖骨骨折、脫位、肩胛骨骨折、盂肱關(guān)節(jié)的脫位、慢性肩關(guān)節(jié)不穩(wěn)、肩峰撞擊癥等。

總之，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及力學(xué)分析軟件的不斷完善，三維有限元分析法一定會在骨關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。

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