第二章 运动力学基础
一 、运动中的力与力矩 二、人体运动的动力学
三、人体运动的静力学
四、人体运动的转动力学
五、骨与关节生物力学
运动中的力与力矩
一、运动中的力 力是一个物体对另一个物体的作用，是
使物体产生形变或线运动状态改变的原因。
力矩则是力和力臂的乘积，是使物体转
动状态改变的原因。
人体运动的动力学
（二）内力 1. 肌拉力
骨骼肌借助肌腱附着于骨，产生对骨的
拉力维持人体姿势，引起人体内各部分、
各环节的相对运动，是人体内力中最重
要的主动力。
运动中的力与力矩
肌拉力线
肌拉力线经过冠状 轴前方或后方，该关 节分别做什么运动？
经过矢状轴状轴上方
或下方，该关节分别
做什么运动？垂直轴
呢？
运动中的力与力矩
刚体绕轴转动时惯性的量度，用以描述物体保持原
有转动状态的能力。 只决定于刚体的形状、质量分布和转轴的位置， 而同刚体绕轴的转动状态无关。
人体运动的转动力学
环节的转动惯量（ I ）等于 环节中质点的质量（m）乘 以质点到转轴的垂直距离
（ r ）的平方。即 I=mr2 ，单
位为千克· 米平方（kg· m2）。
（一）运动中合理利用惯性可以省力
（二）克服重物惯性需要遵循骨骼肌活动顺序原理 （三）增加人体对外界的作用力可以增大外界对人体的反作 用力
运动中的力与力矩
（一）外力
1.重力（G=mg）
2.摩擦力（f=µFN）
重量与质量的区别？
3.支撑反作用力（F1=—F2）
4.流体作用力
5.器械的阻力
运动中的力与力矩
人体接触（撞击）的时间要短。如用锤子钉钉子。
（3）增大作用力和延长力的作用时间，可以使人体
或器械获得更大的速度。 如投掷垒球 。
运动中的力与力矩
2. 力的空间累积效应 ——功 （F· S）
动能定理： 力对物体做的功等于物体机械能的增量。
运动中的力与力矩
二、运动中的力矩 力矩（M）是作用于物体或人体的合力 （F）与支点到力作用线距离（d）的乘积， 即M=F×ｄ。
（二）动量矩定理 假定转动惯量为I的刚体在外力矩M的作用下， 经过了时间Δ t，转动角速度从ω 1变成了ω 2，则这个过
程中角速度变化量为ω 2-ω 1，角加速度α =（ω 2-ω 1）
/Δ t，代入转动定律公式中得到：M=I·α =I（ω 2-ω 1） /Δ t，推导得出M·Δ t= Iω 2-Iω 1。此式中的M·Δ t是 冲量矩，单位N·m·s；I·ω 是动量矩（H），单位 kg·m2/s。 作用在刚体上的冲量矩等于动量矩的变化。
分析：手握球做屈肘动作 产生的力矩
人体运动的静力学
一、力系平衡条件与人体平衡的类型 动态平衡：是物体速度和方向不变的状态。
静态平衡
人体运动的静力学
（一）力系平衡条件
A.共点、共线力系
B.平面汇交力系
C.平面平行力系 D.空间一般力系 A平衡只要满足合力为零。
BCD平衡条件均为合力为零，合力矩为零。
阻力点在支点和动力点之间的杠杆为省力杠杆。
支点在阻力点与动力点之间的杠杆为平衡杠杆。 动力点在支点与阻力点之间的杠杆为速度杠杆（费力 杠杆）。
骨与关节生物力学
三、关节生物力学 （一）骨连结 1. 直接连结
2. 间接连结 又称关节
3. 关节的类型
骨与关节生物力学
（二）关节的生物力学 1．关节稳定性
骨与关节生物力学
2. 骨的微细结构 长骨骨皮质的 主要结构单位 哈佛系统（骨单位）
骨与关节生物力学
3. 骨的血管、淋巴管和神经
骨与关节生物力学
4. 骨组织 由细胞和细胞间质组成
骨组织细胞包括：
骨细胞 成骨细胞 骨原细胞 破骨细胞
骨基质分为
有机质 无机质
骨与关节生物力学
二、骨的生物力学特征
（一）骨受载荷形式
人 体 转 动 惯 量 简 化 模 型
人体运动的转动力学
2. 转动定律
当物体受到合外力矩（ƩM）的作用而发
生转动时，则转动体的转动惯量（I）乘以角加速度 （ α ）的乘积等于作用于转动体的合外力矩 ，即 ƩM=I·α 。
刚体转动的角加速度与它所受的合外力矩成正比，
与刚体的转动惯量成反比.
人体运动的转动力学
骨与关节生物力学
骨与关节生物力学
（二）骨的应力与应变
骨应力是指骨结构受到外来载荷时其表面单位 面积所受到的力。 骨的应变是指骨在外力作用下的局部形变，包 括线性应变和剪切应变。
骨与关节生物力学
骨的应力—应变曲线
应力/应变=k（弹性模量，杨氏模量）
骨与关节生物力学
（三）机械应力对骨生长的影响 沃尔夫（ Wolff ）定律 ：物理功能的改变引起 骨的吸收和形成，因此改变了骨的内部结构和外部的 几何形状。
将遭到破坏，物体会翻倒。
人体运动的静力学
三、人体平衡与稳定的特点
1. 人体不能绝对静止 2. 人体形状可变
3. 人体内力起重要作用
4. 心理因素的影响 5. 感觉系统在保持人体平衡中的作用
人体运动的转动力学
一、转动运动学
人体各环节的运动都是骨
骼肌牵引骨围绕着关节运 动轴的转动。 把人体看做刚体，刚体转 动时，刚体上的各点都做
（1）稳定角：是指重力作用线和重心至支撑面边缘相应点 的连线间的夹角 。 重心高度相同，
支撑面越大，稳定角越大；
支撑面相同， 重心越高， 稳定角越小。
人体运动的静力学
（2）稳定系数：稳定系数是指稳定力矩与倾倒力矩的比值。 稳定系数大于1时，物体能抵抗外来翻倒力矩，平衡不被
破坏；
稳定系数小于1时，物体抵抗不住外来的翻倒力矩，平衡
2. 组织弹力 当机体拉伸、压缩、扭转时会 发生形变，弹力是机体形变做功的能力。
希 尔 三 元 素 模 型
①可收缩成分：相当于骨骼肌中肌纤
维成分 ②串联弹性元：主要是位于骨骼肌两 端的肌腱 ③并联弹性元：包裹在整个骨骼肌表
面和肌束、肌纤维表面的结缔组织。
运动中的力与力矩
（三）力的合成与分解
运动中的力与力矩
塑形与重建是骨组织中对机械应力作用响应的
两个主要生理过程 骨组织的更 新
青少年期 骨折愈合期
骨与关节生物力学
长 跑 运 动 员 拇 外 翻
骨与关节生物力学
（四）骨疲劳
（五）影响骨力学性能的其他因素 1．骨的大小和形状 2．骨折愈合 3．手术因素
4．衰老与骨质疏松
骨与关节生物力学
（六）骨的杠杆作用
组织弹力：希尔三元素
牛顿三定律：惯性、加速度、作用反作用 力系平衡→平衡条件 平衡的类型
转动轴：实体轴、非实体轴 力矩（ M=F· d） 角运动：角位移、速度、加速度
转动定律（I=mr2）
动量矩定理（ M·Δ t= Iω 2-Iω 1 ）
一、牛顿运动定律
牛顿第一定律
任何物体在不受外力作用（或所受合外力为零）时将保 持静止或匀速直线运动状态不变，又称惯性定律。
牛顿第二定律
当物体所受到的合外力不为零时，物体的运动状态会发 生改变。 F=ma
牛顿第三定律
即作用力与反作用力定律 。F=—F
人体运动的动力学
二、牛顿运动定律在人体运动中的应用
人体运动的转动力学
三、转动定律的应用 1. 增大肌对关节的拉力矩 通过增加肌收缩力和肌力
臂，能增加角速度和角加速度
粗壮的大腿肌具有较大的力量和力臂 能产生较大的角速度和角加速度
人体运动的转动力学
2. 减小转动惯量 由ƩM=I·α 可以 看出，当肌力矩一定时，减小环节 对轴的转动惯量，可以达到增大转 动角速度或角加速度的目的。
（四）力的时间与空间积累效应 1. 力的时间累积效应 ——冲量（F· Δt ） 质量与速度的乘积称为动量（m v） 。 动量定理 ：
物体动量的增量等于其所受的冲量。
运动中的力与力矩
（1）人体运动中为了减小外界的冲击力，通常需要
延长外力的作用时间。如落地缓冲。
（2）为了给物体或人体强大的冲力，要求与物体或
人体运动的静力学
（二）人体平衡类型
平衡时重心与支撑 点的位置关系分类
上支撑平衡
下支撑平衡 混合支撑平衡
稳定平衡 平衡时保持平 衡的能力分类 有限稳定平衡
不稳定平衡
随遇平衡
人体运动的静力学
二、稳定性及其影响因素 （一）稳定性
稳定性是指人体和物体抵抗各种干扰作用保持平衡的 能力。 一是人体静止时抵抗各种干扰的能力，这种能力称为 静态稳定性。 二是指人体重心偏移平衡位置后，干扰因素除去时，人 体仍能恢复到初始平衡范围，此为人体平衡的动态稳定性。
（1）关节面形状
（2）韧带强弱 （3）骨骼肌力量 （4）关节负压 2．关节的力和力矩
3. 关节软骨生物力学特性
本章总结
外力：力时间积累与空间积累 肌拉力：肌拉力线 力 内力： 力的合成与分解：平行四边形定则 骨的基础知识 拉伸、压缩 骨受载荷 骨与关节的生物力学 弯曲、剪切 扭转、 复合载荷 骨应力与应变 省力杠杆 骨杠杆 平衡杠杆 费力杠杆 （速度杠杆）
短跑时需折叠大、小腿，以减小 下肢对髋关节转动轴的转动惯量， 以便快速向前摆腿。
骨与关节生物力学
Hale Waihona Puke 一、骨的概述 （一）骨的组成和分类
颅骨29块
躯干骨51块 四肢骨126块
骨与关节生物力学
2. 骨的分类 按照形态特点可分为：
长骨、短骨、扁骨、
不规则骨
骨与关节生物力学
（二）骨的结构
1.骨的器官水平结 构 以长骨为例 骨的构造包括 骨质、骨膜、骨髓
度叫做“角速度”。国际单位为弧度/秒，用字母ω 表示。 3. 角加速度 是描述刚体角速度