运动生物力学与体育之间的关系
时间：2021-03-16 07:55:52 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘要:人体自身完成一切动作都是在大脑的活动通过肌肉收缩引起的外部表现形式,是一种有目的、有意识的运动行为。所以在研究人体的动作时,必须以力学和生物学的观点去探索运动的规律性。运动生物力学做为体育科学中的一项重要学科,具有很强的理论性和实践性,对于提高教学和训练质量,改进和设计运动器械,防治运动损伤等方面都提供了可靠、科学的理论依据,在体育运动的各个领域被广泛应用。
关键词:运动生物力学;体育运动;游泳运动;力学分析
一、运动生物力学
运动生物力学是研究体育运动中人体机械运动规律的科学。运动生物力学把体育运动中各项动作技术的研究课题,赋予生物学和力学的观点和方法,使复杂的体育动作技术建立在最基本的生物学和力学的规律之上,并以数学、力学、生物学及运动技术原理的形式加以定量概述。人体运动包括简单的机械运动和复杂的思维运动。
二、各种身体运动的机械效率
人体在运动过程中,肌肉收缩力牵引骨及负荷使之产生位移而做功,从而使人体的能量状态发生改变。这些变化过程实质上是人体在中枢神经系统的支配下,体内储存的化学能转变为机械能和势能的过程。不难看出,人体的运动过程是能量转换的过程。
在体育运动中,人体各种运动形式都是通过肌肉收缩力使人体及环节或器械产生一定的位移,这时肌肉收缩力就对外界做了功。功是力对物体作用效果的一种量度,反映了力对物体作用效果随物体位移的累积。功的大小等于力与物体沿力的方向所发生位移的乘积。
能量简称能,它是跟功有密切联系的力学量。能是一种表明功的本领的物理量。物体能够做的功越多,它具有的能越大。因此,物体具有的能是用它能够做的功的多少来量度的。
在体育运动中,严格的机械能守恒是不存在的。因为在运动中,人体所具有的机械能可以通过肌肉而增加,也可能由于克服摩擦力产生热能而消耗一部分机械能,但就自然界总的能量来讲是守恒的。研究运动中的机械效率,能量守恒和转化定律是重要的理论依据。
三、游泳运动的力学分析
1.游泳时的阻力
在水中游进时,主要是阻力和推进力作用的结果,而推进力也是通过利用阻力获得。
人体在水中位移时,所受总阻力一般由摩擦阻力、形状阻力、波浪阻力和惯性阻力构成。形状阻力是游泳阻力的主要成分。它是由于水的粘滞性原因,使身体在水中游进时,背部和身后产生涡流和伴流,使人体消耗一定的能量而形成阻力。它与人的体型、姿势及游进速度有关,故称为形状阻力。因为它是运动物体前后的压强差所致,也称压差阻力。
要想提高游进速度,一方面要尽可能减少前进中的阻力,另一方面要充分利用水阻力的特性。如选用光滑质料做的游泳衣,可减少摩擦阻力,调整控制水中的身体姿势以及加大划臂,打(蹬)腿幅度能很好地克服和利用形状阻力,保持匀速运动可以减少惯性阻力等。
2、划水的力学分析
良好的划水效果是获得游泳推进力的主要来源之一。正确的手型是手划水产生动力效果差异的重要条件。从形状上看,手掌是一个有复杂外形的阻力面,是最易利用和减小阻力影响的器官。在各种手型中,手指自然伸直并拢的手型,会在手掌平行划动方向时,挡水面最小,速度方向前后压差最小,从手背滑过的水流平缓,阻力最小,近似流线型。蛙泳手臂前伸动作采用此种姿势,目的在于减小伸臂动作产生的形状阻力。由于划水时手与人体游进方向的垂直方向上的运动占优势,划水时使得手与手臂好像在水中“转动”,使水相对于手作侧向流动,在手背与手掌两侧造成压力差而产生压力。因此要求在划水过程中,手的运动应主要在与游进方向垂直的方向上运动。同时在举个过程中,应根据不断变化的划水方向及时调整手的角度以达到产生压力的效果。
考虑划水时推进力的大小,首先取决手的升阻系数的大小。手的升阻系数根据手与速度方向不同的迎水角变化。因此在划水过程中,手对水的姿势是不断变化的。在划水时选择不同的手型姿势,目的在于寻找最佳的阻升比,从而获得最佳的推进效果。游泳推进力的本质是靠肢体动作产生的升力和阻力。
游泳中,即便通过改变手划水的姿势,使压力方向指向或接近速度方向,但只以手的迎水角所产生的升力,难于成为推动身体前进的主要动力。起主要作用的仍是手和小臂的合力效果。所以游泳中所采用的高肘、曲线划水技术,既能保证划水中的较大划水截面,又能增大划水距离,又有利于肌肉的工作。
原因是当手向垂直划动方向划动时,合力的方向指向身体游进方向,可获得最大推进力效果,在手前方可获得最大压力,并产生极大的涡流、伴流,从而获得最大压力差,产生最大阻力。
游泳中的划水路线是复杂的空间曲线。划水运动方向分为向里、向外、向上、向下、向前、向后等六个方向。前四个运动称为横向划水,后两个运动称为侧向划水。我们可以用横向与纵向划水速度方向的夹角来分析划水路线。
合理的划水路线同时受手的升阻系数和划水速度两者的制约。经过实验验证,当手相对人体划动速度和人体纵轴夹角在40°—60°之间时能获得最大推进力,这时p角都小于40°,推进型都属于升力型和升阻型,即升力型和升阻型的划水路线为合理的划水路线。
四、腿部动作的力学分析
人体下肢各关节在运动时的形状、路线、幅度都不及上肢有利,脚在完成动作时,虽然有髋和膝的配合,但在运动中仍难于达到理想的形状阻力效果。由于脚的升阻系数至今未作水力学测试,因此无法定量地来分析打水蹬水的推进力,只能根据打水蹬水时踝关节的运动轨迹对升力和阻力的作用进行简单的定性分析。
在四种泳式中,爬泳、仰泳和蝶泳的脚部动作中,踝关节的轨迹十分相似。以爬泳为例从a点到b点是向上打水动作,脚没有向后的运动分量,阻力不能起到推进作用,从b点到c点是向下打水动作,脚主要是向下的,向后很少,所以阻力朝上,起保持身体水平姿势的作用。升力朝前下方,起着推进力的主要作用。整个打水动作,向上打水对推进力起负作用,向下打水对推进力起正作用。因此打水节奏,踝关节以及髋膝关节的协调配合是非常重要的,尤其要求踝关节有较好的柔韧性。此外,要获得脚部动作的最佳打水效果,打水频率也是一个必要的参量。值得说明的是,在较低游速时,加速打腿频率对推阻力的减小较为有利。但在高速游进时,加快打腿频率对推阻力的减小并不大,快速的打腿频率也加大了人体的能量消耗。但这并不意味打腿技术本身影响游进速度,而是要求我们在完成腿部打水动作的过程中,充分把握打水频率与腿部动作的适宜配合。
蛙泳蹬水时踝关节的轨迹与其它三种泳式打水时的踝关节轨迹有明显差异。
从a点到b点是蛙泳收腿和脚动作的踝关节轨迹,脚是向前运动的,收腿动作增加了身体的水阻力,不利于身体向前的运动,从b点到c点是蹬水动作的踝关节轨迹,脚作向后向下的运动,向后和向下的幅度相当,升力和阻力都可以成为蹬水的推动力。在蹬水动作中采用鞭状蹬腿就是要尽可能减小阻力,提高升力所占比例。
五、身体姿势的力学分析
身体姿势在游进时要求受阻力小,它取决于身体姿势在速度方向上的形状。当身体纵轴与重心轨迹一致或有较小的夹角时,即可在前进中获得流线型效果。若身体倾斜与速度方向成较大的夹角时,即会失去流线型效果,在背后产生涡流,身体要失去有效的平卧姿势,前进时会产生起伏,增加身体的投影截面,产生不良的影响。
