运动技术的生物力学原理精选(九篇)

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第1篇：运动技术的生物力学原理范文

关键词：乒乓球；运动生物力学；研究方法；研究领域

中图分类号：G804.6文献标识码：B文章编号：1007-3612(2007)10-1381-03

随着现代科技水平的不断提高，运动生物力学研究手段与方法也不断地更新，研究内容和层次不断深入、系统，运动生物力学的研究方法在许多运动项目中有了广泛的应用，对于认识运动项目技术的规律和提高运动技术水平，起到了重要的作用。

对于运动生物力学的原理和方法在乒乓球运动项目中的应用，国内外已进行了许多研究，但已有的研究不够系统和深入，所用的运动生物力学研究方法比较单一，乒乓球专项化的运动生物力学仪器很少，对于乒乓球与球台或球拍碰撞的原理、乒乓球飞行的运动状态、乒乓球动作技术原理等有些方面揭示得还不够全面或尚未揭示，对于运动器材、服装的研究很少。

近年来，国际乒联对乒乓球竞赛规则的三大改革，以及现代世界乒乓球技术的迅猛发展，都要求我们要借助于科技的力量和手段，更加全面地、深刻地认识乒乓球运动的规律，不断地更新观念，技术上不断创新进步，训练方法上要更加科学合理，以促进乒乓球运动的发展。本文根据乒乓球运动专项运动生物力学研究的现状、运动生物力学学科发展趋势、以及乒乓球运动发展的实际需求，对运动生物力学在乒乓球运动中应用的研究领域和研究方法的发展趋势进行展望，以期对乒乓球运动规律有更加深刻而全面的认识，为运动生物力学如何更好地结合乒乓球专项特点为乒乓球运动实践服务提供借鉴。

1运动生物力学在乒乓球运动中应用的研究领域的展望

从运动生物力学角度来看，乒乓球运动是通过乒乓球和球拍位置的变化（平动和转动）与运动员机体的活动相结合的一项运动。运动员的击球动作使球拍和球碰撞后，击出的球以一定的动量、动量矩落到对方台面，与台面发生碰撞，反弹后再与对方的球拍相碰撞。归纳起来，乒乓球项目中的运动包括：运动员的运动（动作技术）、乒乓球在空中的运动（速度、旋转、弧线）、乒乓球的碰撞运动（乒乓球与球台或球拍碰撞）。对乒乓球这三个方面的运动生物力学研究分析需要一定的设备仪器与方法。与乒乓球运动相关联的还有球、球台、球拍等器材以及运动员的服装。

以往对乒乓球运动的运动生物力学研究在上述方面已进行过一定的研究，但对于乒乓球与球台或球拍碰撞的原理、乒乓球飞行的运动状态、乒乓球动作技术原理等有些方面尚未揭示，或揭示得还不够全面，对于运动器材、服装的研究很少。根据运动生物力学和乒乓球运动的发展趋势，运动生物力学在乒乓球运动中应用的研究领域，可以预计运动技术研究仍将会占较大比例，同时，在全民健身、运动医学、康复医学、运动器材、服装及实验仪器设备等方面也会开展研制。具体可以开展以下几个方面的研究：

1） 动作技术诊断；

2） 乒乓球与球拍碰撞、与球台碰撞的研究；

3） 对乒乓球拍运动的研究；

4） 乒乓球拍、乒乓球运动鞋的研制与优化；

5） 乒乓球运动员肌肉、骨骼力学特性的研究；

6） 乒乓球专项测试仪器的开发；

7） 乒乓球运动员损伤机理和预防的研究。

2运动生物力学研究方法在乒乓球运动中的应用与展望

按研究方法划分，运动生物力学应用在乒乓球运动中的研究大体可分为两类: 一是力学理论研究方法，二是实验研究方法。两者应当紧密结合，才能使运动生物力学更好地在运动实践中应用。

2.1运动生物力学的力学理论研究方法在乒乓球运动项目中的应用与展望该研究方法因为是通过模拟手段对人体运动仿真，一般包括5个步骤：1) 确定运动恃征，建立目标函数；2) 选择模型确定刚体的自由度；3) 建立动力学模型（拉氏方法、Kane方法、雅各宾法等）；4) 实测已知数据并求解；5) 根据求解结果解释运动规律，这一步骤是将求得的数学规律化为体育运动语言对运动技术进行合理的指导。

纵观运动生物力学在乒乓球运动中应用的现状，可以看到，以往用的最多的是运用力学原理对一些现象进行解释。而利用力学理论研究的方法却很少。根据此研究方法，可以对乒乓球中许多问题进行研究。

如对于乒乓球运动员的伤病的研究，至今还没有在击球过程中对腕、肘、肩关节、颈椎、腰椎等的关节力和力矩的定量分析，而对其认识有助于对乒乓球运动员运动损伤的认识和预防。可以利用力学理论研究的方法对关节力和力矩进行推算。以计算上肢各关节的关节力和力矩为例。首先确定乒乓球运动员击球过程中上肢的运动特征。二、建立上肢模型，整个上肢可分为上臂、前臂和手（包括器械）三个部分，根据上肢实际的生理结构和以往生物力学建模的经验，可将人体上肢简化为3刚体7自由度的物理模型。三、运用多刚体系统动力学理论中的Kane方法，建立系统运动学和动力学方程，四、通过摄像的方法获取上肢的运动学参数以及郑秀媛公布的人体环节参数，求出腕、肘、肩关节的关节力和力矩。五、根据关节力和力矩对乒乓球运动员的伤病进行认识。

2.2运动生物力学的实验研究方法在乒乓球运动中的应用和展望运动生物力的实验研究方法在乒乓球运动项目中应用现状是，动力学研究几乎没有，运动学测试也不多，所运用到的生物力学仪器很少。所以实验研究方法在乒乓球运动项目中有极大的发展空间。

2.2.1常用的生物力学仪器将在乒乓球项目中的广泛应用许多已经在其他专项中运用较为广泛的生物力学仪器在乒乓球运动项目中尚未广泛使用。比如，三维测力台，肌电仪，足底压力鞋垫。

三维测力台可以反映地面对人体的反作用力。运动员击球的力最终是通过人体蹬地面，同时地面给人体的反作用力而实现的。而对乒乓球运动员地面反作用力的动力学特征的描述至今尚无。

通过在运动员的鞋子里放上压力鞋垫，可以得出在移动过程中，脚底压力的分布图，可以为乒乓球运动员鞋子的设计提供参数。

通过肌电仪可对完成某动作所参与的肌肉活动的强度和时间进行描述，确定主要的参与肌群。用在乒乓球运动员身上，就可以很清楚的知道完成某动作的肌肉用力顺序是什么，哪些是主动肌，哪些是被动肌，可为力量训练提供参考。

2.2.2开发乒乓球专项化、反馈快速化的运动技术测试仪器这是运动生物力学测试仪器的发展趋势，至今为止，在乒乓球界中尚无有此类测试仪器的研发成功。近年来其他运动项目共用运动学、动力学及生物学指标，测试仪器的质量、功能、效率不断提高，同时，某些运动项目专用的测试仪器不断出现。例如，体操项目单杠、双杠、高低杠、跳马、吊环的测力系统、赛艇多参数遥测分析系统、起跑蹬力测试系统、蹬冰力测试系统、游泳出发测力系统等。

其他专项的研究可为乒乓球专项化的测试仪器提供借鉴，比如考虑是否可以在乒乓球拍上安装加速度传感仪。随着科学技术的迅速发展，加速度传感器体积和质量都可以做到非常小，精度可以达到很高，此仪器可以实时监控球拍三个方向上的速度、加速度和角速度，并可据此推算球拍的受力情况，以及击打乒乓球后，球体获得的初速度。而对乒乓球拍的运动情况的所做的研究非常之少。

如果这些设想可以实现的话，将丰富乒乓球理论知识，对乒乓球运动的实践将会有快捷的帮助。

2.2.3多机同步测试的研究多机同步测试研究是运动生物力学研究的发展趋势。人体运动十分复杂，因此，多机同步测试方法对各项运动技术研究十分重要。由于多机同步测试研究需要的仪器多、经费多、时间长、技术人员多，而且多数动力学指标和生物学指标的测试在正式大赛中很难进行，所以，多机同步研究的报道较少。随着科学技术的进步和对运动技术研究的深入，多机同步测试研究将会得到较快发展。

对于乒乓球这项精密的运动，以往的研究多是从一维的视角来进行的，对乒乓球运动的生物力学的研究应朝着多维的研究视角发展。比如，将摄像系统和测力台系统同步的测试方法，综合运动学和动力学的数据对乒乓球运动进行更加深入、全面的认识。

2.2.4生物反馈技术将在乒乓球运动技术训练中应用运动生物力学测试中提供给运动员、教练员的技术动作的速度、幅度、方向、力量等指标数据，运动员在训练中很难掌握，如将测试的数据转换成声、光信号直接提示给运动员，表示其当前的动作是否达到了要求或某个范围，运动员接收到声、光信号后，便马上做出反应，调整动作的幅度、强度、速度等就容易得多。这方面研究在其他专项中已经取得了一定进展，例如北京体育大学金季春教授指导其博士生闫松华所研制的用于短跑训练的“测试鞋”，对每一步的着地时间和腾空时间进行实时监控，正朝着生物反馈的方向发展。

生物反馈技术在乒乓球运动技术训练中的应用也是乒乓球运动项目生物力学发展的趋势。

2.3将力学理论研究方法和实验研究方法紧密结合是运动生物力学在乒乓球运动中应用的研究方法的发展趋势力学理论研究方法的基础是经典力学理论，并应用它解释分析生物体运动及探索其运动规律。力学理论研究方法优点是能使研究工作更加严谨和深人，但由于模拟研究目标和对运动数学化描述的困难，这类研究难度很大，且研究结果与运动实践尚有一定的距离。所以力学理论研究方法必须辅之实验和经验，才能使它在实际应用方面的作用得以发挥，力学理论方法与实验测试方法两者应当紧密结合。前者提供了运动普遍规律，对分析有理论指导意义，后者是理论研究与实际应用的桥梁，能使研究更好地为运动实际服务。实验研究方法，通过各种实验手段，测试记录体育运动过程，并以此作为依据，结合经验，对运动技术进行分析对比，从而提出改进技术的意见和建议。这种研究方式是以具体运动员的具体动作作为研究对象。

实验通常用高速摄影、录像、测力台测得运动学和外力参数，用肌电测试仪测得人体内力参数，然后通过数据处理和分析，来诊断运动技术的优劣及动作的合理性。这种方法以实验手段为主，与运动实践联系紧密，能对运动员的技术训练直接施加影响。但由于该方法研究和实验的对象是具有个体特征的人，不可避免地造成对共性的运动规律研究的困难，从而使研究结论难以达到理论升华。因此实验方法必须和力学理论研究共同发展、相辅相成，才能使运动生物力学学科渐趋深入完善。

用理论力学理论研究方法和实验研究的方法对乒乓球运动进行运动生物力学的研究，将提供认识乒乓球运动规律的多维视角，会对乒乓球运动规律有更加深刻而全面的认识，进而可使运动生物力学更好地为乒乓球实践服务。是运动生物力学在乒乓球运动中应用的发展趋势。

3总结

根据乒乓球运动专项运动生物力学研究的现状、运动生物力学学科发展趋势、以及乒乓球运动发展的实际需求，运用多种运动生物力学的理论力学和实验研究相结合的方法，对乒乓球运动中的多个领域进行分析和研究，是运动生物力学在乒乓球运动项目中的研究发展趋势。

参考文献：

［1］ 国家体育总局《乒乓长盛考》研究课题组.乒乓长盛的训练学探索［M］.北京：北京体育出版社：2002.

［2］ 刘卉.上肢鞭打动作技术原理的生物力学研究［D］.北京体育院大学博士论文，2002.

［3］ 王向东，刘学贞，等.运动生物力学方法学研究现状及发展趋势［J］.中国体育科技，2003 (2)：15-18.

［4］ 忻鼎亮.运动生物力学的力学理论研究方法［J］.体育科学.1994（4）：37-40.

第2篇：运动技术的生物力学原理范文

【关键词】乒乓球；运动学；发展；高速摄影

一、前言

随着现代科技的发展，运动生物力学研究方法越来越多的应用在了竞技体育上。它研究人体的各类动作技术，帮助建立动作技术的原理及模型，以助于指导教学与训练。而运动学作为运动生物力学的主要组成部分，则广泛的使用在了乒乓球技术动作的研究当中。

二、乒乓球技术动作的运动学研究发展现状

吴焕群（1981）采用比较连续照片的方法，即人手工对连续相片上的关节点进行标记，再将同一关节点的轨迹用曲线描述出来的方法，较详细地对郭跃华的弧圈球技术进行了全面的剖析，虽然运动学的特征量未给出，精确度不高，但这个研究应该是开创了运动生物力学方法在乒乓球运动研究中的先河。

许绍发等[1] （1987）用两台EPL高速摄影机以100格/s同频同步对北京队1名运动员的直拍反面、直拍正面击球的技术动作（关节运动幅度、球拍倾角及最大球速）进行了拍摄，得出直拍反面击球技术的可行性。

这项实验结果为当时极具争议性的话题“是否应该推广直拍反面进攻”做出了明确量化的论证，为“直拍横打”的普及与发展做出了重要贡献。

西安体育学院董树英[2] （1988）等采用加速度传感器、高速摄影的方法，调查了四个省市发球较好的运动员，通过获取高低抛发球的挥拍加速度、挥拍动作各时相的时值，定量比较得出高低抛发球的差异。

这是运动生物力学技术第一次使用在发球动作技术的研究上，为高抛球技术的推广以及数十年的“长春”打下了坚实理论基础。

张辉[3] （1995）采用三维高速录像分析法，第一次对四名优秀直拍快攻运动员的创新技术“直拍反面拉弧圈球”进行了运动学分析。

其中值得注意的是，实验中的4名运动员均为健将级，其动作具有极大的学习价值。但4名运动员在反面拉过程中，各环节（肩、肘、腕、拍）达最大速度的时间顺序却有3种方式，并不符合鞭打动作中关节发力顺序的要求。

柳天扬[4][5] （1995）对刘国梁、孔令辉等正手近台攻打前冲弧圈球技术的运动学特征进行了分析与研究。第一次较完整地阐述了优秀乒乓球选手正手近台攻打前冲弧圈球技术的生物力学特点与规律。结果发现正手近台反冲前冲弧圈球技术相对于纯粹的前冲弧圈球技术本身（从下旋到前冲） 具有绝对的速度优势。

这一测量结果为攻打前冲弧圈球的技术动作进行了理论上的肯定。

陈洁等（2001） [6]对10名体校运动员的直拍四面攻技术的击球速度、旋转、力量作了实验研究，并对其主要技术在比赛中的运用情况进行了统计和分析，以了解直拍四面攻技术的可行性及其特点。研究表明： 直拍四面攻可以用正手正、反面和反手正、反面的四个击球进攻，各个面都具有各自不同的功能和作用，击球速度、旋转、力量以及主要技术在比赛综合运用上没有技术死角。

但不足的是，由于没有相关的动力仪器设备测试，文章中所得正面、反面攻球力量大小是以飞行距离的长短比较进行的。严格来说，只有保证在球出手角度一致的情况下，才能做出准确的判断。

黄诚 [7] （2004）采用MotionAnalysis系统对两名上海体院运动员的直拍横打和横拍反手回击弧圈球两种技术动作进行了拍摄。结果显示：直拍横打和横拍反手位回击弧圈相比，直拍横打技术各阶段的挥拍速率都比横拍的小，远台时比较明显，近台相差不大，直拍横打技术比较适合在近台、时回击弧圈球。但为什么直拍横打速率较小，文章并没有进行深入的研究。

徐大鹏[8] （2005）在其《乒乓球直拍横打四项技术上肢动作原理的运动学比较研究》一文中，通过对六名参加辽宁省冬训的优秀直拍运动员进行的三维摄影解析及其数据分析得出结论：直拍横打技术符合人体关节活动顺序性原理，符合人体鞭打动作的要求。

孟杰[9] （2005）采用三维录像分析方法，比较了在比赛场上两名优秀运动的直拍横打拉弧圈技术与横拍反手弧圈技术的异同，并首次对技术动作的完成质量制定了运动学标准。

肖丹丹[10] （2006）《乒乓球正手快攻、弧圈球技术的生物力学研究及步法垫测试系统的研制与实验》应用瑞典产QUALISYS-MCU500红外远射测试系统（6个镜头）对乒乓球运动员正手快攻、弧圈球技术进行测试。

文章的创新点在于，首次将运动学和动作力学两种研究方法结合，对乒乓球技术动作的运动学特征、动力学特征进行了更加全面的测量。同时，自主研发的步法垫测试系统作为专门针对乒乓球的实验仪器，将乒乓球技术动作的运动学研究发展推进一步。

向祖兵[11] （2009）运用ARIEL/APAS三维图像解析系统对我国优秀乒乓球运动员余世钦、朱文涛的反手台内侧拧技术动作进行了三维立体拍摄和解析获得了技术动作过程相关运动学参数。

台内侧拧作为新出现的技术，自然引起了研究者的注意。这篇文章是首次将侧拧技术的运动学参数测量出来。

徐括[12] （2010）运用红外光点采集系统对王浩、马琳直拍横打中的拉下旋技术动作进行了拍摄和解析。

红外光点采集系统是迄今最先进的人体运动捕获系统，它具有自动识别标志功能，能快速、准确的捕获人体关节点的运动轨迹。

崔先友（2013） [13]运用两台高速摄像机同时对削球运动员正手削弧圈球技术和正手前冲弧圈球技术动作进行录制，采用爱里尔运动图像解析系统进行后期的解析与制作，分析比较发现正手削高吊和前冲弧圈球技术的异同。这篇文章首次涉及了向下挥拍的技术动作。

三、小结

从使用的仪器来看，从最初始的普通照相机，到普通精度的摄影机，再发展到如今的高精度的高速摄像测量系统。测试手段也从二维录像转入三维录像，图像解析手段也由人工逐点逐帧解析的方法发展至更准确快速的图像自动识别（如：红外远射测试系统）。从研究的内容来看，主要集中在当时新出现的技术上，如：直拍横打技术、弧圈技术、侧拧技术等。

新技术的出现带来的往往是新旧观念的冲突，此时迫切需要一个科学可靠的数据来进行可行性论证及优劣性的比较论证。运动学测试方法从定量的角度出发，以数据取代经验，为乒乓球新技术的发展研究做出了重要贡献。

【参考文献】

[1]许绍发，吴焕群.直拍反面进攻技术的可行性研究[J].体育科学，1987（2）.

[2]董树英.乒乓球高低抛发球挥拍加速度的测定与生物力学分析_定量分析高低抛发球差异[J].西安体育学院院报，1988（1）.

[3]张辉.对我国部分男子优秀乒乓球直拍运动员反面拉弧圈球技术的研究[D].北京体育大学，1995.

[4]柳天杨.刘国梁正手近台攻打前冲弧圈球技术的运动学特征分析与研究[J].广州体育学院学报，2002（3）.

[5]柳天杨，王新，王家正.孔令辉正手近台反冲前冲弧圈球技术的运动学分析[J].体育学刊，2003（2）.

[6]陈洁.直拍四面攻打法的可行及其技术特点的研究[J].北京体育大学学报，2001（2）.

[7]黄诚.乒乓球直拍横打攻弧圈球技术动作的运动学参数研究[J].运动训练专题研究，2004

[8]徐大鹏.乒乓球直拍横打四项技术上肢动作原理的运动学比较研究[D].沈阳体育学院，2005.

[9]孟杰.乒乓球比赛中王皓与唐鹏的正反手弧圈球技术技术动作的生物力学分析[D].北京体育大学，2005.

[10]肖丹丹.乒乓球正手快攻、弧圈球技术的生物力学研究及步法垫测试系统的研制与实验[D].北京体育大学，2006.

第3篇：运动技术的生物力学原理范文

摘 要：以运动和力学的紧密关系为依据，阐述运动生物力学与体育教学原理交融渗透、密不可分。以散打教学为切入点，对散打教学中运用生物力学知识的重要性，运动生物力学知识在散打教学中的应用做了浅析，得出在散打教学中传授生物力学知识，有助于教师选择正确的方法和手段，使教学合理、科学，提高教学质量目的，促进教师自身理论水平的提高。目的是为体育教学的改革的进一步深化提供参考。

关键词：生物力学 运动 散打 教学

散打是一种以腿法为主的武技，实战中步法的灵活运用对保证充发挥腿的威力，取得实战的胜利具有极其重要的意义。但在教学中由于教师忽视人体组织结构的解剖与生理特点，导致教学效果不明显，甚至学生运动性损伤等情况比比皆是。运动生物力学应用于散打教学，不仅有利于对动作的理解和分析，而且可以对动作技术推陈出新。在跆拳教学中，如何运用运动生物力学知识指导教学，这是我们散打教师和教练探讨的热点。

一、散打教学中运用生物力学知识的重要性

体育教学在向学生传授运动技术的同时，必须首先讲解运动技术的物力学特性，教会学生掌握合乎力学原理的技术动作，在掌握合理技术基础上，尽量使每个学生按照其自身特点去改进技术动作。在力的作用，人体和由人所带动的运动器械的运动状态要发生数值和方向上变化，要揭示运动发生的原因和变化的情况，就必须研究运动的动力学特征。力学的基本任务是研究物体的运动和物体受力的关系。散打教学中，任何技术动作都是在人体自身的外力与内力的整体作用下完成的，运动物力学是体育教学存在和发展的最重要的理论依据之一，体育教学与动生物力学原理交融渗透、密不可分。作为一名合格的体育教师，必须运动生理学、技能学、生物力学等基础知识都有所了解。而在这些基础性学科中，生物力学将使体育教师对人体运动的原理、影响人体运动的内力外力作用，以及使物体产生运动的原因等有更好的理解，可帮助体育教识别技术。更为重要的是体育教师在教学中结合运动技术讲授运动生力学知识，学生容易理解和掌握，克服了在教学中局限于对技术运动外的描述，能够有效分析技术动作的优劣。

二、运动生物力学知识在散打教学中的应用

（一）身体平衡的破坏

在散打搏击项群中并非始终要求提高身体稳度保持平衡状态，有时反而需要快速破坏自身或对方身体的平衡。

1.主动进攻与防守。散打运动中攻防交替变换频繁。然而无论进攻是防守都应体现一个“快”字，即身体或肢体要快速启动。要达到这一目的，运动员必须在有利于自己启动的方向上有意识的减小自身的稳度，以快速破坏平衡而提高启动速度。例如，某运动员在连续进攻中，前一进攻动作完成后如何为后一进攻动作奠定基础，使之便于身体动作加速，为肌肉正常工作创造条件就显得十分重要。防守中也是如此，既要考虑自身的稳度，又要注意为反击创造条件。如果防守时过分增大稳度是不利反击的。一般情况下主动降低自身的稳度，破坏其平衡的方法有：在提身体重心的同时将重心投影点移至支撑面的边缘处，或者改变步态减小

支撑面积，或者改变身体的姿势等，已达到降低身体在运动方向的稳定度的目的。

2.破坏对方的平衡。从力学角度看，双方在技术上的对抗实际上是双方在某一方向的稳定程度对抗。只要一方在某一方向的稳度明显大于对方的稳度，在一定的力矩作用下就能首先使对方失去平衡。根据影响身体平衡的因素我们知道，对方重心的投影点至支撑面边缘最近方向便是他身体平衡最不稳定的方向，若能抓住此时机沿此方向施力，很容易破坏对方身体的平衡。要想沿某一方向破坏对方的平衡，进攻还必须注意调节好自身支撑面的形状和重心投影点的位置，以加强本的再进攻方向的稳度，这样才能达到在保护自己的前提下破坏他人的

衡。

（二）身体平衡的主动恢复

当运动员身体的平衡受到破坏又不能借稳定力矩恢复初始平衡时，人体还能采用一些措施主动地恢复平衡。

1.补偿运动。当运动员身体开始失去平衡而倾斜时，人体的相应环节发生位置的改变，以调整人体姿势，使身体重心的投影点重新回到支撑内，恢复初始平衡。例如人体重心向左偏移时，人体的上肢或躯干主动向右移动以抵消重心的偏移量。

2.改变支撑面。当运动员偏平衡位置较远，平衡严重受到破坏时，补偿动作便失去作用。这时人体可以采用改变支撑点，形成新的支撑面的方法重新建立平衡或恢复初始平衡状态。改变支撑面的方法有两种：一是沿着重心偏移方向扩大支撑面，使重心投影点位于新的支撑面，使重心投影点位于新的支撑面；另一种方法是改变支撑面的形状，使人体重心投影点重新回到新的支撑面内。

（三）重心位置偏前或偏后的实战姿势

1.重心位置偏前的实战姿势特点。当两脚呈前后站立支撑时，如身体过于前倾，躯干与水平面的夹角偏小，则使身体迁移。此时，前腿各环节受力大于后腿。这种实战姿势是不利于进攻的。因为进攻就要体现一定的效果（动作速度和击打力量），而制约打击效果的直接因素之一是整个身体运动的幅度。因此，只有将身体重心适当后移，才能达到使身体更好迁移的目的，才便于腿的进攻。根据运动中移动重心原则可知，支撑重心的腿，能使身体做奔腾、跳跃动作，还能抬腿移步；非支撑重心的腿（虚腿）则可以做横踢和下劈以及移步动作，

但不能是身体腾起、跳跃。由此看来，身体重心在水平面的投影与支撑脚的间距影响着身体的稳定性，虚腿只起辅助作用，进攻则全靠虚腿。从身体迁移的幅度、速度和击打力量考虑，重心都不能过于偏前。

2.重心位置偏后的实战姿势特点。当脚步呈前后站立支撑时，如身体过于后倾，则使身体重心偏后。此时后支撑腿各环节的受力大于前腿。这种姿势既有利于提高前腿的进攻速度和力量，又能增大双方的间距使自己免受击打。但由于身体的重量主要右后腿承受，因而不利于快速后退或防守反击。在此状态下，对前腿的反应速度要求较高，一旦要向后退防守时，前腿需快速有力蹬地，推动身体向后运动，免受对手的击打。

3.重心位置偏低的实战姿势。无论两脚是前后或左右站立，下蹲支撑时两脚间距较大，下肢各关节弯曲度大，都会使身体重心自然降低，因而增大了支撑面，身体的稳定性较好。但此状态下下肢各关节伸肌的负担较重，不利于快速启动和步伐的调整。此外还会造成下肢肌肉的疲劳。因此在实战中不宜长时间的保持这种姿势。

4.重心位置偏高的实战姿势。身体自然放松，两脚间距小，两膝弯曲不大，身体重心则偏高。此时下肢各关节肌肉的负荷较小，肌肉不宜疲劳，有利于进攻与防守。但不利之处在于动作预兆较大，容易暴露战术意图，且支撑面较小，身体的稳定性较差。

三、结 论

经过几年的训练和教学工作。笔者认为：在散打教学中传授生物力学知识，可有助于教师选择正确的方法和手段，使教学合理、科学，从而达到提高教学质量目的，促进教师自身理论水平的提高。在体育教学中，普及不可缺少的有关生物力学知识，比单纯讲技术效果要好，它不但可以使学生了解技术动作的本质、掌握合理技术、识别技术动作的优劣，而且可以帮助学生正确学习技术和新项目，学会自我保护方法，防止伤害事故的发生。学生们普遍反映，在体育课中讲授生物力学知识使他们既掌握了技术动作的关键，又使所学的知识有机地结合起来，同时进一步使学生认识到体育不仅仅是跑跑、跳跳，而且是大有学问的一门学科。

参考文献：

[1]李凌云.运动生物力学原理在武术运动中的应用[D].济南：山东师范大学.2002.

[2]李小华、刘光双、周颖.运动生物力学在体育教学和训练中的应用研究[J].体育科技文献通报，2007(3).

第4篇：运动技术的生物力学原理范文

关键词：百米；途中跑；男子运动员；着地缓冲

中图分类号：G822.1文献标识码：A文章编号：1007-3612(2008)03-0425-03

我国100 m跑水平与世界先进水平相比存在较大差距，其中男子水平差距更为明显。近些年，我国100 m运动成绩停滞不前，其中跟途中跑技术没有得到明显的改善有很大关系。着地缓冲技术是短跑途中跑阶段重要技术环节，它体现腾空着地技术效果，同时又为积极的后蹬做好准备。国内关于100 m途中跑着地缓冲技术的研究表明：美国运动员脚着地扒地更积极；着地距离更长；缓关节冲膝角度更大。但是大量的研究将着地缓冲技术的差异仅仅归因于训练水平的差异，并未对着地缓冲技术对诸如摆动腿的摆动和后蹬效果等途中跑整体技术方面的影响进行分析和对比研究。而且对我国传统的短跑技术观念和技术训练方法对缓冲技术乃至整个途中跑技术造成的影响，没有深刻的认识。

1研究方法

搜集大量有关中外优秀短跑运动员技术的文献和研究资料，重点对近10年中美男子百米运动员技术资料进行对比和分析。运用运动生物力学原理，分析造成中外短跑缓冲技术差异的技术原因以及对整体技术的影响，探索提高我国短跑运动技术水平和运动成绩的途径。

2讨论与分析

2.1中外短跑运动员着地缓冲技术的不同特征

通过表1我们发现：美国男子优秀百米运动员脚的着地缓冲技术特点表现为：“扒地”积极；着地距离长；缓冲时间长；缓冲幅度大。首先，美国高水平运动员脚着地前的“扒地”技术的效果明显好于我国运动员，美国高水平运动员在脚着地瞬间脚相对于地面的向前的水平速度是+1.15 m/s、国内运动员为+1.35 m/s，由于美国运动员脚着地时脚相对于地面向前的水平速度小于国内运动员的脚着地速度，减小了脚在着地时的阻力，从而减少了脚着地瞬间身体重心在水平方向的速度损失。着地距离即着地点与身体重心垂直投影点的距离，中外运动员的着地距离相差0.11 m。缓冲时间即脚着地至膝关节角度最小时相的时间，中外运动员相差0.09 s。美国运动员短跑运动员途中跑膝关节角度由脚着地的144.4°至最大缓冲时的134．2°，膝关节的运动幅度为10.2°，我国运动员的膝关节的缓冲幅度仅为3°，相差7.2°。我国男子百米运动员着地缓冲技术特点相对于美百米运动员表现为：“扒地”效果差；着地距离短；缓冲时间短；缓冲幅度小。

2.2着地缓冲技术是造成我国百米运动员途中跑步幅结构不合理的重要原因

2.2.1中外男子百米运动员支撑时间上的差异，是由缓冲时间上的差异造成的美国运动员支撑与腾空重心位移距离比为1：1.2，我国运动员为1：1.5，美国运动员支撑时间与腾空时间比1：1.2，我国运动员为1：1.45。国内外对比说明，我国运动员腾空时间过长（图1），而支撑时间相对过短。支撑时间中的后蹬时间相差无几，差异主要表现在缓冲时间较短（表2）。美国优秀百米运动员缓冲时间是0.045 s，缓冲时间与后蹬时间的比例是11.11，而我国运动员缓冲时间仅为0.036 s，缓冲时间与后蹬时间的比例是1∶1.44，美国运动员的支撑时间比国内运动员长0.007 s，缓冲时间比我国运动员的缓冲时间长0.009 s，因此，中外男子百米运动员支撑时间上的差异，是由缓冲时间上的差异造成的。

图1途中跑各时相的时间比较

2.2.2中外运动员小腿前倾角的差异是由缓冲阶段形成的美国运动员脚离地前的小腿前倾角明显小于我国运动员分别是23.1°和41.8°。从脚着地到脚离地小腿前倾角的变化幅度分别为53.6°和39.7°，相差13.9°。缓冲阶段小腿前倾角变化幅度就相差11.1°之多，而后蹬阶段仅相差2.8°，从此不难看出小腿前倾角减小的差异主要是缓冲阶段形成的（表2）。

缓冲阶段小腿前倾角的减小，有助于减小后蹬角，增大后蹬时的水平分力，从而缩短腾空时间和腾空距离，提高后蹬效果，改善途中跑步幅结构。美国运动员较长的缓冲距离、缓冲时间和较大的缓冲幅度，虽然增长了人体作减速运动的过程，但是也相对增大了踝、膝关节的退让收缩的程度，踝、膝关节较大幅度的缓冲使小腿绕支撑点的前旋更加积极，有助于小腿前倾角的减小。我国运动员缓冲距离和时间短、缓冲幅度小，就会造成在最大缓冲时相（即后蹬开始时）的小腿前倾角相对较大，加大了后蹬的垂直分力，腾空距离和腾空时间相对较长，导致步幅结构的不合理。

2.3着地缓冲技术是提高蹬摆技术效果的关键环节

2.3.1适当加大我国短跑运动员缓冲距离有助于提高支撑腿蹬伸效果通过以上数据表明：美国优秀运动员的着地缓冲距离较长，缓冲时间也较长，但是表现出来的后蹬效果更好，在后蹬阶段支撑腿的膝关节角度蹬伸幅度比国内运动员大6.6°，后蹬距离长0.07 m，但是后蹬时间却不比我们长（分别为0.050 s和0.052 s）。也就是说，美国优秀运动员在相同的时间内肌肉工作距离更长，速度更快，效率更高。

在短跑途中跑过程中，支撑腿的膝、踝关节肌肉经历离心收缩――向心收缩过程，应该做为一个完整的用力过程考虑。着地缓冲阶段，也就是支撑腿肌肉离心收缩过程，是后蹬动作的准备，后蹬是缓冲阶段能量的释放。在着地缓冲阶段，由于地面的冲力和摆动腿积极摆动所产生的反作用力使得支撑腿伸肌群被动拉长，增加了肌肉的初长度，同时由于人体组织的牵张反射作用，在后蹬阶段发挥更大的收缩力量和更快的收缩速度。但是，如果着地距离太短，则人体在脚着地后来不及进行有效的缓冲技术动作，支撑腿很快进入后蹬阶段，支撑腿肌肉工作距离短、力量小、速度慢、效率低，所能克服的阻力也小，在为人体提供主要动力的后蹬阶段获得的加速度低，运动人体只能在较低水平上保持一定的速度。

2.3.2积极有效的摆动腿摆动技术基于合理的缓冲技术根据运动生物力学对人体在跑跳运动中摆动动作原理的分析，当支撑腿主动肌群退让性收缩，人体支撑腿关节角度减小，同时手臂和腿部的加速摆动。摆动的反作用力使得支撑腿主动肌群被动拉长，肌肉张力增加，当肌肉张力增加到足以克服阻力时，肌肉开始向心收缩。在蹬伸的过程中，摆动动作制动加快支撑腿的蹬伸速度。在此过程中，支撑腿的缓冲过程和积极有力的摆动动作，是加大主动肌群张力，提高蹬伸动作速率的决定性技术因素。我国很多学者提出“摆动是短跑的主要动力”的观点，显示了在百米途中跑中摆动的重要作用，它一定程度上决定着后蹬阶段支撑腿蹬伸的力量和速度，摆动腿大幅度的摆动成为现代短跑技术的突出特点。

但是，摆动动作的作用最终还要通过支撑腿的“缓冲-蹬伸”过程，发挥推动人体向前的运动的作用。只单纯强调摆动腿摆动作用的观点是片面的，它必须与支撑腿的工作特点结合起来进行分析。必须将积极摆腿与改进我国百米运动员的缓冲技术结合起来。如图2，整个支撑阶段摆动腿与躯干的角度由177°减小到106.5°，变化幅度为70.5°。从脚着地到最大缓冲时相0.045 s的时间内，摆动腿相对与躯干的角度由177度减小到127.7°，变化幅度为49.3°，平均角速度为1095°/s，最大缓冲至脚离地的0.50 s的时间内角度变化为21.2°，平均角速度为424°/s，摆动腿高抬大腿摆动动作的70%是在缓冲过程完成的。只有与合理的缓冲技术协调配合，才能够最大限度的发挥摆动腿的摆动作用，才能够在支撑腿在后蹬阶段发挥更大的力量和速度，提高蹬伸效果。如果缓冲距离和缓冲时间太短，导致缓冲幅度小、摆腿幅度小且效果差，不能发挥最佳的积极摆腿的作用，最终影响支撑阶段人体组织的工作效果。

2.4传统脚着地技术是影响我国百米缓冲技术的重要因素我国短跑运动员技术上的差距不能仅仅被认为是技术特点上的差异。这些差距归根结底是由于我们一些技术观念差异，以及我们在这种观念下长期以来所运用的技术训练方法。我们传统的技术原理仅仅把着地缓冲阶段看作被动的减速过程。在技术上要求“尽量使着地点靠近身体总重心的投影点”。常用技术教学和练习手段也都体现了这种观念的要求，比如小步跑、高抬腿跑、后踢小腿跑、车轮跑等专门练习，摆动腿的下放均是大腿积极下压小腿放松前摆扒地，即使是行进间的练习，也基本上是属于“踏步跑”。包括后蹬跑在内的所有专门练习，脚的着地点也都位于身体重心投影点下方，缓冲幅度小、蹬摆效果差。而对于多数短跑运动员来说，技术专门练习是他们长期的必修课。所以这些长期的技术练习必然造成我国运动员在途中跑过程中，着地距离短和缓冲幅度小的技术特点。

同时值得注意的是所有以上专门练习脚着地时膝关节几乎是伸直的状态下完成下地动作的，我国传统技术对脚着地的要求也正是“摆动腿大腿积极下压带动小腿前伸，膝关节几乎伸直下扒”，所以我国男子百米运动员脚着地瞬间膝关节角度比美国高水平短跑运动员大8度（表1）。这种“扒地”技术不仅不利于提高脚着地效果（分析见作者在“对改进100 m途中跑着地技术及其对整体技术效果影响的实验研究”一文），同时在脚着地时膝关节正处于伸展过程之中，着地后膝关节继续向后的趋势不利于膝关节的屈膝缓冲和减小小腿的前倾角。因此通过运动生物力学分析和实验研究，作者在“对改进100 m途中跑着地技术及其对整体技术效果影响的实验研究”一文中提出“在脚着地前，控制摆动腿大腿下放，积极回摆小腿‘扒地’技术”，不仅有利于提高脚着地效果，同时由于积极的屈膝回摆小腿，使得脚着地后更加有利于支撑腿的屈膝缓冲和小腿前倾角的减小，从而提高缓冲效果为更加有效的后蹬提供有利的前提。

短跑的技术练习应该着眼于现代短跑技术要求，改进专门练习形式和练习要求。首先，短跑专门练习应该在跑进中进行，脚的着地点在身体重心投影点的前方，避免“踏步跑”。同时在脚着地前控制大腿下放，积极回摆小腿“扒地”而不是伸膝前摆下放，以有利于积极的着地缓冲和小腿的前倾角的减小，提高后蹬效果，改善途中跑步幅结构。

3结论与建议

1) 美国男子优秀百米运动员脚的着地缓冲技术特点表现为：“扒地”积极；着地距离长；缓冲时间长；缓冲幅度大；我国男子百米运动员着地缓冲技术特点相对于美百米运动员表现为：“扒地”效果差；着地距离短；缓冲时间短；缓冲幅度小。2) 较长的缓冲距离、缓冲时间和较大的缓冲幅度，使小腿绕支撑点的前旋更加积极，有助于小腿前倾角的减小。从而减小后蹬角，增大后蹬阶段向后的水平分力，缩短腾空时间和距离，提高后蹬效果，最终改善途中跑步幅结构。 3) 摆动腿高抬大腿摆动动作的70%是在缓冲过程完成的。只有与合理的缓冲技术协调配合，才能够最大限度的发挥摆动腿的摆动作用，才能够在支撑腿在后蹬阶段发挥更大的力量和蹬伸速度，提高蹬伸效果。如果缓冲距离太短、小缓冲时间太短，从而导致缓冲幅度小、摆腿幅度小且效果差，不能发挥最佳的积极摆腿的作用，最终影响支撑阶段人体工作效果。4) “摆动腿大腿积极下压带动小腿小腿前伸，膝关节几乎伸直下扒”的“扒地”技术和我国传统短跑技术专门练习的要求，是影响我国百米运动员形成合理着地缓冲技术的重要原因。

参考文献：

［1］ 王吉吉夫.关于短跑途中跑前蹬阶段的机制探讨［J］.武汉体育学院学报，2000(3).

［2］ 骆健.对短跑途中跑着地缓冲技术的生物力学研究［J］.成都体育学院学报，1995(1).

［3］ 骆健.再论短跑途中跑着地缓冲技术［J］.成都体育学院学报，1997(4).

［4］ 骆健.试论100 m途中跑后蹬阶段技术［J］.体育科学，1997(6).

［5］ 黄宗诚，等.短跑下地动作的生物力学分析［A］.运动生物力学论文选［M］.北京：人民体育出版社，1990，9.

第5篇：运动技术的生物力学原理范文

关键词 鞭打动作 体育项目 应用

中图分类号：G804.66 文献标识码：A

0引言

人体在结构上是由关节将身体各环节相连，在体育动作中，当希望环节链末端产生最大的速度和力量时，肢体的运动形式往往表现为由近端环节到远端环节依次加速与制动，各环节的速度也表现为由近端到远端的依次增加，把这种动作形式称为鞭打动作。人体四肢结构类似于鞭子，它们近端环节的质量大，末端环节的质量小，因此在作鞭打动作时，鞭根近端环节先加速挥动，获得动量，然后制动，在制动过程中，动量向鞭梢末端环节传递，因此获得极大的运动速度。人体鞭打动作在体育运动技术中有着举足轻重的作用，它几乎渗透到各项体育运动技术动作中，所有的投掷项目无一例外的都与鞭打技术有关，如：标枪、棒球和垒球，其中标枪的鞭打技术最为复杂，再如排球的扣球、乒乓球、羽毛球及网球的扣杀动作，无一例外首先要解决好鞭打的技术，足球运动员的大力踢球、散打中的鞭腿、游泳中的打水，以及体操中的腿鞭打都与鞭打技术有关。

鞭打动作的分类，主要分为上肢鞭打动作和下肢鞭打动作，其中上肢鞭打动作又可以分为投掷性鞭打动作（例如：投掷标枪、垒球等）和打击性鞭打动作（例如：排球扣球、发球，乒乓球和羽毛球的扣杀等），下肢鞭打动作常在足球、体操、武术技术中运用，足球中射门、传球和武术中的鞭腿都是下肢鞭打动作的典型范例。另外，也有人提出全身鞭打，但由于最后的发力是通过肢体末端，也可以归到下肢鞭打动作（例如：蝶泳等）。

1上肢鞭打动作

在上肢鞭打中“力的曲线”呈现出规律性的变化，首先人体上肢环节的反向运动使肢体的肌肉预先拉长，紧接着肌肉由离心收缩转向向心收缩，力的曲线出现了第一次波峰，由于躯干的制动和身体的另一部分的固定，使力的曲线出现了一个小小的波谷，最后在鞭打动作即将结束时，力的曲线出现了第二次波峰，达最大值。人体各环节的曲线图，呈现出规律性的变化，肩关节首先出现速度峰值，接着开始减速，肘关节出现速度峰值。接着开始减速，最后腕关节出现速度峰值，以上说明鞭打动作的一个特点，即每一个环节最大运动速度是在前一个环节达到最大速度后，获得的近端环节制动的同时远端环节做加速运动，远端环节速度是由近端环节动量传递和速度依次叠加而成的，使远端获得最大的角速度和线速度。当然，动量传递只是肢体鞭打动作快速有力的一个方面，在这一过程中，使远端环节在鞭打方向上加速的原动肌也发挥着较大的作用肢体各关节依次发力，使各环节的动量逐步积累，末端环节手或足的运动速度是由其各近侧环节的运动速度的依次叠加而成，这是另一个重要方面。排球的扣球、发球等均为上肢打击性鞭打中的无器械鞭打动作形式，打击性鞭打动作，其运动规律与投掷性鞭打动作相仿，其特点是在做动作之前，各关节的肌肉更加放松被拉长，以保证肢体完成鞭打动作的速度和幅度。

2下肢鞭打动作

下肢鞭打动作角速度特征为：后摆时表现为大腿逐渐减速，小腿加速――最大角速――减速的特点；前摆时表现为大腿加速――最大角速度――减速，小腿持续加速的特点。髋关节的屈肌力矩，膝关节的伸肌力矩，踝关节的背屈力矩在下肢鞭打动作前摆阶段起主导作用。髋关节的内收，外展力矩起定向作用。髋关节旋内、旋外力矩，膝关节旋内、旋外力矩以及踝关节内翻力矩的主要作用是对脚的方位及倾斜程度进行调整。股直肌、股内肌、股外肌、胫骨前肌在下肢鞭打动作前摆阶段起主导作用。小腿加速前摆的初期伸膝肌群产生的伸膝力矩在起支配作用，后期是伸膝力矩与来自大腿角动量的传递共同在起作用。

3结论与建议

鞭打动作中，肢体的反向动作，给原动肌一个最适宜的初长度，同时也提高了原动肌的爆发式收缩力，尽可能延长了肌力工作距离。鞭打过程中，各环节的依次加速与制动，最终近端获得最大的角速度与线速度。鞭打效果的好坏，不仅与动量的传递有关，而且与原动肌加速有关，同时与动量的逐步积累和依次叠加有着密切关系。

因此，教师在教学过程中应该注意强调发力顺序，注重对学生动作的规范性。学生自己在学习过程中应该勤于思考多加练习，注重对自己发力的体会，注重各项目间的相通性，学会发现规律并应用于实践中。

参考文献

[1] 刘卉.上肢鞭打动作技术原理的生物力学研究[D].北京体育大学，2002.

[2] 陈瑞瑞.排球扣球中鞭打动作的肌电分析与力量训练方法的探讨[D].北京体育大学，2010.

[3] 李世明，部义峰，秦玉鹏.人体下肢鞭打动作技术原理的生物力学研究[J].中国体育科技，2012，04：101-107+136.

[4] 周里，金学斌.对上肢鞭打动作生物力学原理的研究[J].体育科学，1996，03：41-46+52.

[5] 杨子峰.羽毛球正手高远球技术的上肢鞭打动作分析研究[J].科技信息，2010，28：290.

第6篇：运动技术的生物力学原理范文

关键词：初中；立定跳远；力学；学教法

一、问题的提出

不同阶段，学生的力量、速度、耐力、灵敏和柔韧等身体素质各不相同，为此，教师必须在不同的阶段，根据学生的身体素质情况，选择不同的体育项目，供学生练习、锻炼。初中阶段是学生力量素质发展的敏感期，此时，教师必须增加力量教学和训练比重。各种跳跃运动是发展力量素质的最好方法，立定跳远作为提高学生下肢力量、爆发力的运动项目，没有过多的条件约束、简便易行，是训练学生下肢力量及爆发力的一项重要运动，能够有效地提高学生的身体素质。因此，为了提高学生立定跳远的成绩，本文就利用运动生物力学原理对立定跳远技术进行了分析，以期通过理论指导学生实践，使学生掌握正确的练习方法。

二、研究对象与方法

本文以立定跳远运动为研究对象，从生物力学角度谈起，就其学练法进行了一番梳理，研究过程中运用到了文献法、教学实践法以及总结提炼法等。

三、结果与分析

（一）立定跳远成绩的组成分析

如图1所示，立定跳远的成绩S=S1+S2+S3。S1是双脚起跳离地瞬间身体重心投影点至起跳点之间的距离，S1的大小取决于三个因素：一是身高、腿长，身高腿长在起跳角不变的情况下，重心高则S1增大；二是对于同一练习者，起跳角a的角度越小，S1越大，角度越大，S1越小，但这并不等于说起跳角a的角度越小，立定跳远成绩会越好；三是起跳脚离地瞬间练习者髋、膝、踝三关节及趾关节蹬伸的伸展程度，蹬伸程度越充分则S1越大。S2是起跳脚离地瞬间重心在重心高度水平的抛射距离，根据抛射公式S2=V2×sin2a/g，g为重力加速度是常量，由此可见，S2取决于腾起初速度和抛射角度，腾起初速度越大，则S2也越大，理论上在a=45°时S2最大，但由于空气阻力（可以忽略不计）及考虑S3，实践中a﹤45°，理论证实a=42°时，S2+S3有最大值，这主要是因双脚着地瞬间身体重心低于起跳脚离地瞬间身体重心之故。S3是重心回落到起跳离地重心高度水平线至双脚着地间的距离，它由身高和落地技术动作决定，尽可能收腹举腿、双臂后摆并使双腿较大幅度前伸而又不至于身体后倒的落地技术能获得较大的S3。

（二）立定跳远的生物力学分析

1.起跳技术分析

（1）关节蹬伸速度、幅度。立定跳远的远度主要由髋、膝、踝快速蹬伸及趾关节的末端参与作用而获得，其中各关节的蹬伸速度、蹬伸幅度及协调发力顺序是决定学生立定跳远成绩的关键技术。立定跳远起跳过程可分为下蹲和蹬伸两个环节，前一环节是后一环节的准备和基础，动作质量的好坏对后一环节有着重要的影响。起跳的任务是使人体获得最大腾起初速度及最佳腾起角。根据公式V=2H/t可知，加大起跳时工作距离H，缩短起跳时间t，可以增大腾起的初速度。良好的下蹲动作能为蹬伸创造条件，而下蹲动作能使下肢三关节处于最佳的发力角度，为蹬伸环节做好必要的准备。最大下蹲时下肢三关节角度的不同，会直接影响蹬伸效果，进而影响起跳效果。而最大下蹲过后，下肢关节在短时间内迅速伸展，给地面以爆发性力量蹬离地面的过程称为蹬伸环节。此时，肌肉的工作形式经由下蹲阶段的离心收缩、等长收缩、迅速转变为向心收缩。下蹲阶段伸膝肌群被动拉长，这样，一方面大腿伸展肌群能贮存大量的弹性势能，另一方面肌丝也有了一定的初长度（如果是最适初长度那当然是最好），这就可以使起跳脚对地面施加更大的作用力，从而产生较大的垂直作用力。此外，适宜的下蹲幅度，也能使下肢肌处于最适初长度，产生最快的收缩速度及最大的收缩力量，提高起跳效果。

研究资料证实，120°-140°是膝关节的最佳发力角度，立定跳远准备起跳时，膝关节角度小于最佳发力角度，对于成绩的提高是有利的，一般都从90°左右开始蹬伸发力，且蹬伸过程中，膝关节的角度必须超过135°，有研究显示“膝关节角在135°以上的范围进行发力时，屈膝肌群（股二头肌、半腱肌、半膜肌、腓肠肌）积极参与伸膝活动，其发挥的力量较大，而且随着膝关节角度的增加而增大”。当然，双脚起跳脚离地瞬间，理想的下肢姿势是髋、膝、踝三关节完全伸直，这样既能充分发挥三关节的肌肉力量，使力的作用点通过身体重心，又能增大力的做功距离，使双脚离地瞬间有较高的身体重心。踝关节与髋关节和膝关节相比是小关节，但在立定跳远项目中却有着非常重要的作用。“起跳阶段踝关节的屈伸能力决定起跳阶段的蹬伸程度，踝关节在跳高起跳过程中起着关键作用。”踝关节的柔韧性和肌肉力量是影响立定跳远成绩的两个重要指标，因此在立定跳远练习中我们应对学生的踝关节进行有针对性的柔韧性和力量训练，采用多种方法与手段以提高学生的踝关节力量与伸展幅度。下肢三关节的协调用力能力对立定跳远成绩也起着至关重要的作用。根据大关节先运动原理，立定跳远首先应当是髋关节进行发力，其次是膝关节，最后是踝关节进行用力。这种协调用力能力就如同加速度逐渐减小的变加速运动，加速度逐渐在减小，但速度却不断增大。三关节完全伸直后，就能使作用力通过身体重心，提高力的利用率，进而提高起跳效果。

（2）两臂摆动速度及幅度。在起跳阶段，当两臂加速上摆时，身体会产生一个方向向下的作用力，此力通过起跳腿传递到地面，从而增大了人体对地面的垂直作用力，同时地面也会给人体一个大小相等而方向相反的作用力。这样，在起跳结束瞬间，运动员就可获得一个较大的垂直速度，从而跳到更高的高度。在起跳瞬间，手臂的摆动对起跳效果有着非常重要的作用。从生物力学角度来讲，手臂的摆动速度应越大越好，当双腿下蹲缓冲时，两臂由身后较高位置加速向下摆动，可以减小起跳腿对地面的作用力，避免起跳腿受力过大而过度屈曲，影响起跳效果。而在起跳蹬伸阶段，两臂加速向上摆动，会对躯干施加向下的作用力，这种作用力通过起跳腿传至地面，进一步增加了起跳腿对地面的垂直作用力，根据牛顿第三定律，此时地面也会给人体一个大小相等、方向相反的反作用力，与不摆臂或摆臂速度很小相比，将引发地面作用于人体更大的反作用力。这样在运动员起跳结束瞬间，由于力的增加便能产生更大的垂直速度。另外，双臂摆动后上举，也可以提高人体重心的位置。有研究显示，双臂及摆动腿完全向上伸直，可以使重心提高约身高的1/10。当起跳结束瞬间，双臂快速制动，其惯性力的方向是向上的，能对起跳腿起到减压的作用，对起跳腿的三关节快速蹬伸，特别是对力量较弱的踝关节快速大幅度伸展有着重要作用，对快速拔腰、提肩，带动身体重心快速上升有积极作用。理想的手臂动作，应是下蹲结束瞬间，两臂在体后尽可能高的位置；在蹬伸阶段，两臂应该向下、向前和向上快速有力地摆动。在摆动时，肘关节不应太弯曲，理想的角度大约在90°与完全伸直之间。我们可以用双臂向上摆动的平均垂直速度和摆动幅度来评定摆动效果。在起跳过程中，双臂摆动的平均垂直速度当然是越大越好，还应有较大的摆动幅度。这对于提肩拔腰动作和双脚离地瞬间的身体重心高度都有影响。需要注意的是，臂的摆动幅度并非越大越好，但一般双臂的肘关节不应低于肩关节，这样才能形成有力的摆动和制动，提高起跳效果。

2.腾空阶段技术分析

当双脚离地瞬间起跳动作完成，人体便以初速度V进入斜抛的腾空阶段。当人体重心达到最高点开始下降时，上体要积极下压，同时双臂也应迅速向前下方摆动，并同时收腹举腿，同时为落地动作做好积极的准备。这不仅要求学生有积极的落地意识，还要求其有较强的腰腹肌力量。

3.落地阶段技术分析

当双脚与地面接触瞬间，身体各相应关节应进行积极的屈曲缓冲，双臂积极向后下方摆动并积极制动。当人体通过下肢与地面相互作用时，下肢各关节肌肉虽积极收缩，但由于重力的作用，仍被拉长作离心收缩，完成退让工作。由冲量定理可知，Ft=mv，F=mv /t，mg为人体体重是定量，因此若想减小人体落地时对地面的冲击力，就必须延长力的作用时间。这种缓冲动作对于动作的顺利完成及人体保护有重要的作用。

（三）立定跳远的学、练法分析

1.踝关节的力量及柔韧性学、练

通过力学及技术分析，我们可知道踝关节虽然相对于髋关节和膝关节是小关节，但它的力量及柔韧性对立定跳远同样有着非常重要的作用。

（1）僵尸跳：这主要是用来发展踝关节、小腿和足弓肌群的肌肉力量。双手叉腰或自然下垂，髋关节和膝关节伸直，主要以踝关节的屈伸来完成动作。要求：两脚左右开立、平行向前，等于或略小于肩宽，起跳时踝关节尽最大幅度伸展，落地时用前脚掌着地屈踝缓冲，接着再跳起，每次练习50-60次，练习4-5组。

（2）单脚僵尸跳：发展小腿、脚掌和踝关节力量。上体正直，膝部伸直，单脚向上跳起。跳时主要是用踝关节的力量，用前脚掌快速蹬地跳起，离地时脚面绷直，脚尖向下。原地跳时，不规定跳的次数，以踝关节发酸为准，然后换脚。每次练习重复4-5次。

（3）跪膝：此项练习在游泳初级训练中较为多用，主要用来发展踝关节柔韧性。要求双膝、双踝靠拢跪于地面，臀部坐于双脚后跟之上。每次练习3-5分钟。

2.膝关节技术、力量及摆臂配合学、练

膝关节是人体大关节，其力量的强弱直接影响着学生的立定跳远成绩。

（1）蹲跳起：主要发展腿部肌肉和踝关节肌肉力量。双脚左右开立，脚尖平行，等于或略小于肩宽，屈膝向下半蹲（膝关节角度最好等于90°），肘关节角度约120°，两臂自然后摆，起跳时两臂迅速有力地向前上摆，肘关节不低于肩关节，当脚尖等离地面时迅速制动，起跳时两腿迅速蹬伸，使髋、膝、踝三个关节充分伸展，身体成一直线，最后用脚尖蹬离地面向上跳起，落地时用前脚掌着地屈膝、曲踝缓冲，接着再跳起。每次练习25—30次，重复3—4组。

（2）连续蛙跳：主要发展下肢肌肉力量、起跳技术及上下肢的协调蹬摆能力。双脚左右开立，脚尖平行，等于或略小于肩宽，屈膝向下半蹲，当膝关节下蹲至90°时开始蹬伸发力准备起跳，肘关节角度约120°，下蹲时两臂自然后摆，起跳时两臂迅速有力地向前上摆，摆动幅度为肘关节不低于肩关节，当脚尖蹬离地面时迅速制动，起跳时两腿迅速蹬伸，使髋、膝、踝三个关节充分伸展，身体成一直线，最后用脚尖蹬离地面向上跳起，落地时用全脚掌着地屈膝、曲踝缓冲，当膝关节缓冲到90°时，双臂摆至身体后下方，接着再跳起。每次练习10跳，重复3组。开始对远度不提出过多要求，主要以练习上下肢的协调技术为主，因为动作技能的形成是一个复杂的、链锁的、本体感受的过程，只有在技能形成后，才能逐渐提高强度，打破动作平衡，重新建立动作平衡。

（3）跳伸练习：主要发展大腿肌肉退让性工作能力。双脚平行站立于约50cm的台阶上，向前下方跳出，双脚落于小垫子上屈膝缓冲，当膝关节被动屈曲至90°时双臂由前上方摆至身体后下方，同时快速蹬伸、摆臂向前上方跳出，要求下肢三关节完全伸直，肘关节摆至肩关节上方，突然制动。每次练习6—8次，重复3—4组。膝关节这种退让性工作能力增强，可以提高起跳时下蹲的速度，使退让性工作肌群产生更大的弹性势能，缩短起跳时间，从而获得更大的初速度，提高学生立定跳远成绩。

（4）哑铃摆臂：主要发展上肢及肩带力量。手持哑铃肘关节成120°，双脚成左右前弓步前后摆臂，要求摆动幅度要大，每组练习50—60次，重复4—5组；两脚尖平行等于或略小于肩宽左右开立，双手持哑铃从体侧至双臂水平再至两臂肩上举，每组练习30次，重复3组。

（5）手持哑铃双脚左右开立跳：主要发展踝关节、肩带力量及上下肢协调能力。两脚开立至少大于肩宽，开立时双臂摆至水平，并拢时摆至体侧，要求动作连贯，节奏感强。每次练习30—40次，重复3—4组。

3.起跳角度及落地技术练习

图2

实践中我们发现，学生起跳角度几乎没有过大而都是偏小，为了纠正学生的这一错误动作，教师可利用小垫子来提高学生的起跳角度，如图2所示。小垫子斜面与地面成42°角，要求起跳时身体成一直线与垫子平面平行，当身体重心达到最高点时收腹举腿，积极准备落地动作。为了能够更好地完成收腹举腿动作及意识，我们应尽量让学生采用跳远中的滑坐式落地方式，有小垫子的保护，这种落地方式已成为可能。

四、结语

通过立定跳远的生物力学分析，我们得知影响立定跳远成绩的主要因素是下肢三关节肌肉力量及蹬伸幅度、起跳角度及上肢摆臂技术。有了理论指导，我们便可以有针对性地进行学、练，从而提高练习效果。

参考文献：

1.运动生物力学编写组.运动生物力学[M].人民体育出版社，1981.

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第7篇：运动技术的生物力学原理范文

摘 要 斜坡跑是提高短跑速度的有效方法之一，被广泛运用到提高短跑成绩的训练中，本文基于生物力学原理对斜坡跑训练方法现有研究成果进行综述和探讨。研究表明：影响速度的因素很多，就斜坡跑训练方法而言，对跑速产生影响的直接因素步长和步频这两个参数的变化上影响效果明显，科学合理的运用斜坡跑训练方法对提高短跑速度具有积极意义。

关键词 斜坡跑 训练方法 步长 步频

一、前言

斜坡跑是提高短跑速度的有效方法之一，被广泛运用到提高短跑成绩的训练中。国内外对斜坡跑进行广泛的研究，有学者认为，斜坡跑对提高短跑速度有比较明显的作用；斜坡跑除了能提高速度耐力、力量和心肌功能外，还能让运动员体验超过自己速度能力的动作感受，改善运动员的加速疾跑能力，从而增大步幅和缩短支撑阶段时间，帮助运动员掌握加速跑的技术。

二、斜坡跑训练方法的运动生物力学原理

斜坡跑包括上坡跑和下坡跑，上坡跑是一种抗阻力性速度力量练习，在阻力增加的情况下增加训练强度，获得无氧练习的效果，从而改善心血管的机能。上坡跑加强了股四头肌、臀大肌等下肢肌群的力量，有利于提高步长。下坡跑是一种神经系统适应性训练，下坡跑是人们有意识地利用自然的或人工的斜坡，根据势能与动能转换的原理进行训练，有利于提高步频。

影响步长的因素主要有：一是腿部的肌力，腿部的肌力越大，产生的后蹬反作用力相对越大，跑的步幅则越大；二是腿长和髋关节的灵活性与柔韧性，下肢越长、髋关节的灵活性与柔韧性越好，跑的步幅则越大；三是后瞪的角度与摆动腿摆动的方向，从理论上讲，摆动腿与后蹬腿的角度与方向直接影响步幅越大小。对于跑的步频而言，其影响因素有两个：一是肌肉中快肌纤维百分比和肥大程度。二是神经过程的灵活性，大脑皮层运动中枢兴奋与拟制的转换速度是影响位移速度的重要因素。另外，跑动时两腿摆动情况和腾空时与支撑时的相对时间（比值）对步长和步频也有影响。

三、成果研究现状

近年来大量文献资料和研究报道表明，有关短跑技术和速度训练方法的研究选题，多集中在短跑运动员步长、步频训练方法与运动员的中枢神经系统机能的改善及其专项肌肉力量的训练手段方面。对于斜坡跑的原理和训练方法虽然，前人曾做过一些表述和研究，但大多文献报道仅限于对斜坡跑手段应用方式的定性分析与斜坡跑的坡度问题。尽管国内外大多学者均十分肯定斜坡跑训练对提高绝对速度的作用，且认为斜坡跑对改进运动员的步频与步长技术具有积极效果。其相关的论述与见解多散见于各类短跑和速度方面的文献资料和研究报道之中。

（一）关于斜坡跑与步长步频的训练问题

闫春华在《百米速度结构分析及有关技术训练手段研究》（博士论文，2004）一文中提出：斜坡跑作为一种超速训练的方法被广泛使用，超速训练的目的是通过强迫运动员完成超出自身能力水平的练习，来增加步频和步长。在经过4-8周的超速训练后，被试者的步频和步长都得到了提高。这说明斜坡跑作为一种训练方法对步频、步长和短跑跑速的提高具有积极的作用。

下坡跑时，当运动员动作速率发挥到最高值时，控制并稳定速度是很困难的。这是由于下坡重力所产生的惯量。这种惯量随距离的延长而增大，这种逼迫速率的加快运动现象，也正是下坡跑能提高频率的所在。如果在练习中不对运动员的跑动动作提出任何技术要求，或让运动员在一定距离范围内坚持正确的动作要求，斜坡跑的练习效果会受到影响[2-4]。还有研究表明，下坡跑步频没有任何增加，只有步幅加大。步幅的增长意味着展髋的幅度加大和髋部转动角速度加快，同时对髋部的伸髋速度和力量起积极作用；上坡跑对改善或提高运动员的快速力量、速度耐力和增大步长是非常有效的训练手段（昆兹、考夫曼1997）。

（二）关于斜坡跑与神经―肌肉控制机理的研究

美国学者弗拉基米尔M・扎齐奥尔斯基在其主编的《运动生物力学》（2004）一书中指出：步长和步频的可变性表明，中枢神经系统的灵活性（CNS）在控制这些参数方面起到了重要的作用。最高速度跑是人体调动各种能力，并使其充分发挥的集中体现，他对人体能量的消耗以及神经系统的兴奋和拟制的转换频率的要求是很高的。因此，在最高速度之后，肌体实现第二次调节其重要性和必要性同第一次调节具有同等的意义[5]。有作者还提出，构成跑速的两个主要因素――步长、步频是互为影响和相互制约的。对于步长和步频两个变量的作用来说，提高或改进其中任何一个变量都可提高跑速，同时这两个变量之间又呈现一定函数关系[6]。步长和步频的可变性表明，中枢神经系统（CNS）在灵活控制这些参数方面必然起到了一定的作用[7]。伊托等人的研究（1983）表明，助力训练能进一步发展神经肌肉系统对肌肉拉长――收缩周期运动的控制能力，提高短跑运动员支撑阶段的动作效果，从而提高跑速。

有作者在《现代100米跑技术的生物力学分析及放松技术再探析》一文中认为，步频的发展取决于大脑皮质运动中枢神经系统的支配，斜坡跑获得的助力作用可以使运动员感受放松速跑的肌肉用力情况、体验“放松快跑”的方法和好处。上坡跑要求运动员着力体会以髋为轴的大腿前摆和髋关节的积极前送与踝关节及脚的快速趴地，不要刻意后蹬，这种跑法既符合现今短跑技术的要求，又有利于下肢肌肉用力的放松与控制。通过上坡跑还能切实有效地实现短跑所需的“快速力量”训练。就是说上坡跑不仅可以改进、掌握正确的跑的技术，还可以同时发展短跑所需的专门力量。由于步长和步频相对独立，表明步长和步频受两种不同的神经系统控制方式调节――步频的频数调节和步长的幅度调节（罗新建2003）。Bonnard和Pailhous（1993）认为，神经系统对步长和步频控制的方式不同。步频的改变与摆动阶段下肢的整体刚性有关，与支撑阶段无关。这表明改变摆动期间下肢肌肉的紧张性可以改变频率。大部分或整个腿部肌肉紧张性的改变，都将改变下肢绕髋关节摆动的相对频率。Bonnard和Pailhous进一步指出，步长的短暂变化与腿部肌肉的相位活动有关。Patla等（1989）研究表明，步长的短暂增加，实际上是一些肌肉的活动相位增加，而另一些肌肉的活动相位减少造成的。在无约束的走路或跑步时，虽然步长和步频可相对固定，但如果需要的话，中枢神经系统有能力分离步长和步频。Hogan（1984）提出了这种分离的生理机制。当关节周围对抗肌同时活动时，净关节力矩与对抗肌的肌力之间差异有关，关节的刚性则与所有肌力的总和有关。如果中枢神经系统积极调节对抗肌的协同作用，那么步长和步频能在有限的范围内各自独立变化。

在各种提高跑速的训练手段中，斜坡跑以其独特的方法和显著效用，引起了专业和非专业运动队的普遍重视，斜坡跑正在被广泛运用到提高短跑成绩的训练中。有学者对斜坡跑对短跑速度的影响进行广泛的研究，这些作者共同认为：斜坡跑对提高短跑速度有比较明显的作用；斜坡跑除了能提高速度耐力、力量和心肌功能外，还能帮助运动员掌握加速跑的技术动作，改善运动员的加速疾跑能力；斜坡跑能让运动员体验超过自己能力的速度，可以是步幅增大和缩短支撑阶段时间[6-7]。斜坡跑包括上坡跑和下坡跑，上坡跑是一种抗阻力性速度力量练习，是跑动阻力增加的情况下获得无氧效果，从而改善心血管的机能，增强下肢股四头肌、臀大肌这两块重要的肌群，同时提高步长；下坡跑是一种神经系统适应性的训练，就是有意识地设置自然的或人工的斜坡，根据势能与动能转换的原理进行训练，同时提高步频。

四、结论

（一）对于步长和步频两个变量的作用来说，步长和步频的可变性表明，中枢神经系统（CNS）在灵活控制这些参数方面必然起到了一定的作用[7]。助力训练能进一步发展神经肌肉系统对肌肉拉长――收缩周期运动的控制能力，提高短跑运动员支撑阶段的动作效果，从而提高跑速。

（二）斜坡跑道的坡型对练习进行组合，以控制斜坡跑的练习强度和负荷，从而改善跑的步长和步频。

基金项目：年陕西省教育厅专项科研计划项目（编号：11JK0464）。

参考文献：

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第8篇：运动技术的生物力学原理范文

[关键词] 全膝关节置换术；假体；生物力学；动力学模型

[中图分类号] R687.4 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2013）17-0015-02

全膝关节置换术在全世界每年都在快速地增长，经过几十年的蓬勃发展，取得了很大进展。如今全膝关节置换术成为治疗晚期骨性关节炎、类风湿性关节炎等疾病的最有效的方法，被大多数骨科医生认知，对减轻患者膝关节疼痛和改善膝关节功能有显著的疗效，然而术后出现假体松动、伸屈和负重后出现畸形、疼痛等并发症，已经引起了广大骨科医生足够的重视。选择高质量的假体、设计个体化的假体和制定精确化的手术，成为骨科医生必须解决的问题。本文对近年来人工膝关节手术指征、假体、生物力学模型以及手术方式的演变进行阐述；并结合目前最新发展的技术，对TKA未来发展的方向进行了展望和预测。

1 手术指征

迄今为止，TKA的手术适应证仍然没有得到统一。不论是何种类型的关节炎，只要有关节不能耐受的疼痛或者有明显破坏，都可以进行人工关节置换。但必须注意以下几点：①患者年龄>60岁，②体重>80 kg，这也不是绝对的，可以根据实际情况作出判断。除此之外，患者生活的质量也是影响手术成败的一个关键因素，如血友病、骨骼发育不全、幼年型类风湿性关节炎常有多关节病变，TKA能很好地解决患者的关节功能受限。

2 假体的演变及分类

1969年，最原始的膝关节假体[1]——多中心假体，其最难解决的问题就是术后假体松动。1971年出现的几何学型假体[2]，最大的亮点就是符合生物力学的要求去匹配关节，然而遗憾的是没能够解决假体松动的难题。1973年，Insall开创了人工膝关节发展的巅峰时刻，研制了全髁型假体，后来还改进并开发了旋转平台假体。接着Insall又发明了后方稳定型的假体，这是人类史上最能满足患者需要的膝关节假体之一。但是依然不能很好地避免术后假体的磨损、松动情况发生。

按固定方式可分为骨水泥型、非骨水泥型；按置换范围可分为单髁型、全髁型；按活动范围分为固定型、旋转平台型；按限制程度又分为限制型、非限制型。尽管有庞大的假体系统供我们选择，根据患者自身条件选择最合适类型的假体，直接关系到手术效果。相对于膝关节表面置换术，单髁关节置换术对病变间室进行表面置换，适用于单间室骨关节炎，内侧髁进行置换已经发展成熟，但外侧髁置换罕见报道。UKA的早期因假体设计、病例选择、手术技术等问题，失败率较高。Riddle等[3]报道美国UKA置换数量逐年明显增加。目前以骨水泥固定型人工关节居多；只要很好地把握手术指征、熟练掌握关节置换的技能，也会得到显著的疗效[4，5]。而生物型固定型假体的制造原理是通过骨与假体之间的紧密贴附达到稳固的作用。但是这种假体对骨骼质量、术者操作能力的要求高，而且术后恢复功能的时间长。限制性假体主要指铰链式假体，术后膝关节只能在某一平面运动内活动，容易发生假体与骨水泥和骨组织之间应力分布高，从而出现假体松动[6]，现在很少用在初次TKA的患者上，但是对于二次翻修术、骨肿瘤术后的关节的重建、严重的关节不稳等患者[7，8]有显著疗效。临床上常用的非限制型假体有三大类：后方稳定型假体、侧副韧带稳定型假体、保留后交叉韧带型假体。针对人TKA中是否需要保存后十字韧带，目前还有很多的工作需要进行。Wang等[9]进行了一系列研究发现临床效果并没有显著的提高。认为后交叉保留型假体没有破坏后交叉韧带，膝关节在屈曲的时候，股骨会向后方移动，从而增加了膝关节的活动度，而周围的韧带能把运动产生的应力抵消，使接触力明显下降[10]。因此，要最大程度地维持膝关节的稳定，降低假体-骨水泥-骨组织界面应力，后十字韧带必须保留；而不保留后十字韧带的后方稳定型假体的研制是为了增加稳定性、减少假体间应力。通常不保留后叉韧带的后方稳定型假体[11]首选严重畸形及后叉韧带有缺损的患者。

3 膝关节生物力学模型

3.1 物理模型

膝关节物理模型是将膝关节运动机制概括为四连杆的模型[12]。有学者认为膝关节是由十字韧带和股、胫骨在矢状面上构成的四连杆结构。胫骨平台与股骨髁接触的状态下，十字韧带的拉伸不明显[13]。十字韧带的长度及其在股骨、胫骨上的附着位置计算可以得到其形态。因此膝关节物理模型可以简化成以十字韧带为核心的股胫关节二维模型[14]。还有些学者建立了三维的四连杆股胫关节模型[15]，并对股骨、胫骨的位置进行了基本的描述。

3.2 解剖模型

膝关节解剖学模型的建立必须先完成其几何解剖模型。Perie等利用MRI、袁平等利用计算机分别以标本和人体膝关节为核心建立了几何模型[16，17]。张文等[18]以实体膝关节为研究对象，把原始数据都导入ANSYS软件计算三维有限元模型，并对模型以及膝关节的受力情况进行了分析。Silvia根据MRI扫描得到的dicom数据利用计算机处理得到了下肢的骨肌三维模型[19]。最典型的是潘哲尔等[20]模拟的三维有限元模型能够真实地模拟膝关节的力学特性。目前，对于膝关节软骨和半月板几何模型的建立也有零星报道。但是没有一个确实依据证实其准确性。

3.3 运动学模型

Hefzy等[21]将解剖模型分为运动学模型和动力学模型，描述了运动学模型并建立膝关节的各个运动学参数之间的内在联系，但并未将这些运动学参数与负荷的大小相联系。Hartfel等[22]将螺旋轴的问题扩展到三维立体空间上。证实了两个物体运动时，两个直纹曲面是由于螺旋轴位置的连续性改变形成的。然而不足的是，Hartfel等应用的数据不能构建出精确的螺旋轴曲面模型。构建膝关节精确的螺旋轴曲面模型还有很多工作需要进行。

4 膝关节置换手术方式的发展

TKA的远期疗效关键因素是恢复精确的下肢力线，这就涉及到术中精确截骨和软组织的平衡。通过文献分析得出以下结论：术后恢复的下肢力线应控制在冠状面上膝内外翻3°以内；假体的安置应控制股骨髁假体应相对于后髁轴线外旋3°～6°，并平行于STEA。传统的TKA通常是用手工定位截骨，术者仅凭肉眼和手感辅以术中X线片来判断假体安置时下肢力线和软组织平衡等情况，必然会影响截骨的精确度，即使是经验丰富的关节外科医生，也会出现>3°的下肢力线不良等结果，以及旋转定位与关节稳定等问题，术中必然会出现难以估量的因素。因此，传统TKA的精确度一直是手术医生最棘手的问题。迄今为止，诞生了一些手术装置，但由于膝关节的特殊性，尤其是患者伴有膝关节严重畸形，给精确的定位和截骨、假体的选择和安置带来了重重困难。为了获得良好的膝关节置换效果，计算机辅助人工膝关节置换手术系统应运而生，从1993年格勒诺布尔着手计算机辅助人工膝关节置换手术系统的研制，于1997年计算机导航TKA系统开始在临床使用，目的是解决手术医生困惑已久的难题，达到理想的手术疗效[23]。计算机辅助膝关节置换手术系统对置换的膝关节在屈伸过程中的等距间隙和韧带平衡稳定有独特的控制能力。计算机导航手术系统在术中可以密切观察，能够精确地控制软组织平衡，而且能获得膝内外翻3°范围内的精确的下肢力线和屈伸膝关节的间隙平衡。

5 展望

人工膝关节经过几十年的发展，在基础研究、假体设计、生物力学以及手术技术等方面均取得了卓越的成就。但是随着科学技术的不断发展，设计出个性化假体、提高假体的使用寿命和提高术后的功能、减轻手术创伤和提高手术精确度，数字化医学将是今后努力的方向，也必将会对骨科学带来革命性的变化。

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第9篇：运动技术的生物力学原理范文

【摘要】 ［目的］利用工程力学分析软件CatiaV5，模拟在不同的肩关节功能位置上、间接冲击暴力所致肱骨骨折的受伤力学机制和力学环境，为认识和治疗肱骨骨折提供生物力学依据。［方法］采用高分辨率的人体肩关节断层解剖图作为三维重建的数据源，选取自锁骨顶端至肱骨远端关节面、共380层的断层图像，层厚1 mm，按照点、线、面的建模方式，先建立人体肩关节的三维几何模型，再予网格化，建立人体肩关节的三维有限元模型，利用该模型，模拟在12个不同的肩关节功能位置上（外展30°、 45°、 60°、 90°、同时合并内旋、中立、外旋）、肱骨受到分级加载的轴向冲击载荷时的骨折位置以及瞬时的应力、应变状况。［结果］根据肱骨在不同的功能位置上载荷－应变关系曲线，载荷从0～250 N时，呈线性变化，后为非线性期，卸载后，残余骨变形；随着载荷的增加，肱骨干的应变随之增加。当肩关节的外展位置由90°逐渐变为30°时，肱骨干上内外侧应变逐渐增加，内外旋45°时应变比中立位时增加显著；同时，肱骨干内外侧的应力不同，内侧应力大，外侧应力小，内外旋时，肱骨干的应力增加更快、更大。［结论］在肩关节不同的功能位置上，三维有限元分析逼真地模拟出各自不同的肱骨应力、应变状态值及骨完整性受到破坏的三维图像、骨折线的大体走向；肱骨骨折的三维有限元模拟和分析是研究与骨折相关的力学原理的非常有价值的方法。

【关键词】 间接暴力； 肱骨骨折； 三维有限元； 模拟

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

临床上，肱骨骨折的发生率并不少见。目前，对于肱骨骨折确切的损伤机制尚缺乏较深刻的了解，较透彻的阐明肱骨骨折的机制方面的知识对于肱骨骨折的预防和治疗将会产生重要的指导意义。本研究就是利用人体肩关节的三维有限元模型，模拟不同的轴向冲击载荷下，肱骨的形变情况，并显示其动态过程，探讨肱骨骨折的受伤应力机制。

1 材料与方法

1.1 肩关节结构的几何实体重建

采用高分辨率的人体肩关节断层解剖图作为三维重建的数据源，按照点－线－面－体的方式建立肩关节的几何实体形状，可以分别显示皮质骨、松质骨、软骨及髓腔结构，在Catia V5运行平台上可以任意角度转动，观察模型的解剖结构和方向（图1）。

1． 2 肩关节三维有限元模型的构建

肩关节的三维实体建模完成后，根据材料特性的不同，定义软骨、皮质骨、松质骨材料力学参数（表1）。选用10节点的四面体单元，该四面体具有6个方向的自由度，在Catia V5运行平台上，定义肩关节的各项参数和指标，选择中上等精度的自动网格划分模式，对肩关节进行自动网格化，生成3 977个节点（nodes）、20 919个四面体单元（elements）（图2）。表1 肩关节的材料力学参数（Joseph. A等 2002年）

1.3 肩关节不同功能位置上肱骨骨折的三维有限元模拟

启动Catia V5的结构模块。根据盂肱关节面的接触关系，及肱骨头的旋转中心的确立，固定肩胛骨相对不动，将肱骨分别从0°位外展到30°、45°、60°、90°每个位置上；分别设定3种旋转状态：中立位、外旋45°、内旋45°，从而将肩关节的动态功能过程分割成12个不同的功能位置。在每一个位置下，根据盂肱关节面接触区域的位置和范围，设定肱骨的边界约束，限制其所有方向的自由度。

自肱骨远端分别加载以0.1 s梯度增加的300 N轴向冲击载荷，载荷持续时程为1 s，同时自肱骨大结节加载50 N水平恒定载荷，启动Catia V5的求解模块，计算机进入冲击受力分析模块程序。运算结束后，得到动态显示的加载－形变过程，分析其应力分布和骨折移位状况。根据图像的模拟结果，我们可以判断不同的功能位置上的骨断裂的位置和移位方向，根据节点的断裂度判断骨折线的大致走向。

2 结 果

计算机运算结束后，得到12个功能位置上、暴力载荷下的肱骨应力、形变趋势，并且动态展示出来。本文以45°外展位为例(图3～5)；此外， 通过鼠标取值，可以记录肱骨上的平均应变值（图6），从而进一步绘制载荷－应变曲线（图7），了解肱骨随载荷变化的生物力学规律。

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3 讨 论

3.1 本研究中骨折模拟的力学合理性

造成骨折的原因有内因和外因两个方面，前者是指骨结构本身的特性，例如材料性质和结构性质，后者是指骨骼受外力的方向、大小、变化速度以及肢体的空间位置等［1］。对于肱骨骨折而言，常见于摔倒时，上肢撑地，冲击载荷在较短的时间内通过间接传递作用于骨骼，造成骨折［2］；同时，由于人体上臂具有灵活的运动范围，故摔倒时，肱骨可以有多个不同的功能位置，而这种位置直接影响骨骼的受力矢量，因此，本研究在前期肩关节三维有限元模型和肩关节试验力学分析结果的基础上，模拟不同功能位置上的肱骨骨折状态，是符合肩关节生物力学原理的［3］。

3.2 三维有限元分析法模拟肱骨骨折的优势所在

肱骨发生骨折时，由于其瞬时性的特点，往往很难重复其具体过程，无法对其进行实时分析。试验研究的条件下进行骨折力学分析时，当载荷超过骨的极限强度时，骨小梁断裂，骨结构的完整性破坏。目前的力学记录仪器尚不能记录峰值强度以后的骨应力和骨应变，特别是骨的内部力学状况，所以，用试验的方法研究骨折的力学机制存在着明显的不足，它不能提供骨折完整过程的信息，故本研究尝试用先进的计算机技术，凭借工程力学的软件，按照生物力学的原理，去研究肱骨骨折的损伤机制，是对试验力学有力的补充和完善。运用三维的视觉环境，高度形象地模拟骨折的形变和应力分布。作为一项被运用到医学领域的计算机技术，三维有限元分析法可以高度模拟物体结构与材料的特性；既可以精确地反映区域性的信息，又可以完整地反映全域性的信息；既可以进行精确的计算分析，又可以从事形象的、直观的定性研究，分析研究的重复性好，应用面广，适应性强，可以反复使用，无损耗，能够通过模拟分析的方法研究实验方法所不能研究的工况（或生理状况），得到客观实体实验法所难以得到的研究结果［4］。

3.3 有限元模拟肱骨骨折受伤机制的临床意义

从肱骨骨折的三维有限元动态模拟图像资料上看，当关节盂实施边界约束、肱骨大结节加载基础载荷、于肱骨远端加载以0.1 s梯度增加的300 N冲击载荷时，应力逐渐由肱骨远端移向骨干部，随着力的传递，压力集中在肱骨颈干交界部位和干部上段部分，应力在其前侧和/或内侧达到最大聚积；而与此同时，与关节盂相接触的肱骨关节面的部分，应力也逐渐增加，这两个应力集中区域在冲击载荷作用下，应力增加不显著。骨应变图提示这个区域此时承载的载荷逐渐转成张力区，2种载荷交界区域即是骨小梁承受弯曲最大的部位，当能量完全释放，骨小梁断裂，骨折线产生，远段肱骨部分移向后侧或/和外侧。应变是应力作用于骨组织的的结果，伴随着应力的变化，肱骨上应变发生变化，骨形变不可避免。另外，作者看到，在12个不同的功能位置上，相同的加载时，肱骨的应力集中区发生了转移和变化。当从30°90°外展时，高应力区由内侧逐渐转向外侧，而以 60°外展外旋位置上应力最高，达3.13 MPa。也就是说在这个位置上摔倒时，骨骼承受最大的应力，骨应变在此区域最大，故骨折发生率较高，特别对于本身骨强度减弱的情况下（例如、

图1 肩关节的三维几何实体重建图像 图2 肩关节的三维网格化 图3 45°外展中立位的骨折形变模拟过程（ae.形变过程；f.骨折线的走行） 图4

45°外展内旋位的骨折形变模拟过程（ae.形变过程；f.骨折线的走行）

图5 45°外展外旋位的骨折形变模拟过程（ae.形变过程；f.骨折线的走行） 图6 箭头所指为鼠标取值 图7 外展45°位置上中立位、外旋45°、内旋45°时肱骨干上载荷－应变关系曲线质疏松时），在30°外展位置上易发生由肱骨外科颈和肱骨上段后上向前下的骨折移位［5］；而在90°外展加载时，骨折线接近横行走向，因此可以推测在健康人群中，肩关节30°～90°范围摔倒时，骨折线由斜形逐渐变成横行，且肱骨外科颈和肱骨上段时更易于骨折和移位置［6，7］。

此外，不同的肩关节旋转位置对肱骨骨折也产生一定的影响。从图像中可以发现当内旋和外旋时，肱骨上的应力分布发生转移。内旋时，高应力区移向肱骨的前外侧，外旋时，高应力区移向肱骨的内侧，并伴随骨折线出现部位的转移。根据动态模拟图像中，可以清晰显示骨折的动态现况，且可以反复回放，任意提取任何一个需要的信息。

3.4 肩关节有限元模拟分析的应用前景

本研究中所建立的肩关节三维有限元是一个良好的生物力学研究工具，利用它，不仅可以对关节的骨性结构进行力学分析，同时通过建立三维连接单元，还可以重建肩关节的任一个软组织结构；通过这些软组织的试验力学测试，获得相关的材料参数，同样可以将软组织的有限元模型建立起来，继而进行力学分析。本论文仅仅对肱骨骨折实施了有限元的模拟，使用同样的方法，可以对其他肩关节的其他结构的损伤机理进行模拟，如锁骨骨折、脱位、肩胛骨骨折、盂肱关节的脱位、慢性肩关节不稳、肩峰撞击症等。

总之，随着计算机技术的不断发展，以及力学分析软件的不断完善，三维有限元分析法一定会在骨关节生物力学研究领域发挥越来越大的作用。

【参考文献】

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