1、人体运动的动力学【授课内容】v人体运动中的力v牛顿力学基本定理及其在体育运动中的应用【重点及难点】v牛顿力学定律在体育中的运用 力的概念v力是物体间相互作用要有施力方和受力方。作用力与反作用力。v力的作用效果l外效应使物体产生加速度l内效应使物体产生形变v力的三要素：大小、方向、作用点人体运动的内力和外力 研究任何问题都需要确定研究对象的范围。v若将人体看作一个力学系统，那么，人体内部各部分相互作用的力称为人体内力。v如果把人体看成一个力学系统，那么来自人体外界作用于人体的力称为人体外力。内力与外力的区别v内力与外力是相对而言的。v内力可以引起系统内部各部分的相对运动，但不能引起整个系统质心的
2、运动。v只有外力才能引起整个系统运动状态的变化。v人体内力不能直接引起人体整体的运动。但是，人体与外界物体接触并相互作用时，内力可以引起外力。人体在运动中所受的外力v重力人体重力即地球对人体的引力，是人体各部分受地球引力的矢量合成。 v摩擦力摩擦力是两相互接触的物体作相对运动或相对运动趋势时发生的力。 v弹性力发生形变的物体，要恢复原来的形状而作用在与它相接触的物体上的力。 重 力v公式： G=mgvg为重力加速度，g=9.8m/s2,重力G的方向与g的方向一致，垂直于水平面指向地心。v在地面上的不同地点，由于地球自转及物体距地心距离不同等原因，不同维度，不同海拔高度地区，g会稍有不同。 重力
3、加速度v海拔越高，重力加速度越小。重力加速度是来自于地球引力，根据万有引力定律，距离地心越远重力加速度越小。v维度越大，重力加速度越大。赤道的g=9.78m/s2，南北极的g=9.83m/s2物体在地球上做圆周运动需要向心力，而向心力由万有引力的分力提供，剩下的万有引力就是重力，由于纬度的变化，物体做圆周运动的半径也在变，所需要的向心力也在改变，所以g值也会随之改变 。 重量与质量的区别v质量是物体内包含物质的多少，是惯性大小的量度，是物质本身的属性，其大小不随物体位置的变化而变化；v重量是物体所受地球吸引力的大小，是产生重力加速度的原因，其大小随着物体位置的改变而变化。 摩擦力v定义：两个互
4、相接触的物体，当它们要发生或已经发生相对运动时。就会在接触面上产生一种阻碍相对运动的力，这种力就叫做摩擦力。v物体之间产生摩擦力必须要具备以下两个条件：1.物体间相互接触；2.物体间有相对运动趋势或相对运动。静摩擦力v静摩擦力：相互接触的二物体有相对滑动趋势，而又保持相对静止时，在接触面上产生阻止其出现相对滑动的力。用fs表示。1.0fsfm fm为最大静摩擦力2.fm=sN，3.s为静摩擦系数，其大小接触面光滑程度及材料性质有关。N为相互接触两物体通过接触面相互作用的正压力。GN滑动摩擦力v滑动摩擦力：当两个物体相互接触并发生相对滑动时，二物的接触面上产生阻碍物体相对滑动的力。用fk表示。
5、fk=kNv改变摩擦力大小的途径：1.改变两物体间的正压力；2.改变接触面的性质以改变摩擦系数。增大有益摩擦的方法 (1)改变接触面性质。如鞋底的橡胶材质，守门员的皮质手套。(2)使接触面粗糙些。如在跑鞋上加鞋钉或鞋底使用不同的花纹是为了增大接触面的粗糙程度，举重运动员和体操运动员在手上抹滑石粉。减小有害摩擦的方法 (1)减小接触面的粗糙程度。例如经常打磨冰鞋、雪橇上的冰刀。(2) 改变接触面性质。加润滑油可以在摩擦面间形成一层油膜，使摩擦面不接触，运动部件只在油膜上滑过，大大减小了摩擦。例如在滑雪板上涂油。弹性力v物体之间产生弹性力必须要具备以下条件：1.物体间发生直接接触；2.物体发生发生
6、形变；v例如：跳水的跳板、撑杆跳高中的弹性杆、体操中的单杠、双杠及高低杠。v虎克定律 Fe=KX牛顿运动定律及其运用v牛顿第一运动定律定义：物体不受其他物体的作用时，它将保持其静止或匀速直线运动状态不变 。牛顿第一定律又称惯性定律，它包含两层内容：在没有外力作用(或合外力为零)的前提下，静止物体保持静止，运动物体将以同原来的运动速度大小和方向一样的速度继续运动。 惯性v定义：物体具有保持其原来运动状态不变的性质，称为惯性。v物体质量是物体惯性大小的度量，质量大惯性也大，反之惯性也小。 v在体育运动中，常遇到惯性问题，例如在起跑后， 人体跑速不能立即达到最大速度，而在冲刺之后，人也不能立即停下来
7、。这都是惯性的缘故。 在体育运动中如何合理地利用惯性v保持一定的速度要比改变速度容易、省力、减小能量消耗 。v因此，在长距离赛跑、游泳中，提倡用适宜的较稳定的速度进行。 v要特别注意动作的连贯性，尽可能避免频繁地改变运动速度，以减少不必要的负荷，例如上举杠铃、单杠及撑杆跳高中的引体向上动作，如能保持动作的连贯性，则能较容易完成动作。反之，动作中途停顿，则会加大动作难度，甚至会导致动作失败。 牛顿第二运动定律v定义：当一个物体受到的合外力不为零时，物体运动的加速度与合外力成正比，与其质量成反比，加速度的方向与合外力的方向致。用公式可表示为： F=mav式中：F为外力，单位是牛顿(N)；m为物体的
8、质量，单位是千克（kg）；a是物体的加速度，单位是米秒2(ms2)应用牛顿第二定律注意的几点v牛顿第二定律反映的是加速度与力的矢量关系，即加速度方向与外力的方向一致。如果物体同时受到若干外力的作用，物体的加速度方向与合外力方向一致。加速度方向与合外力方向一致F1F2F3F12F123F1F2yF3yF1xF1yF2xF3xxYv若将合外力分解为水平分力和垂直分力，那么水平分力产生水平加速度，垂直分力产生垂直加速度。 即牛顿第二定律的分量式为： Fx=max Fy=may Fz=mazv牛顿第二定律反映的是加速度与力的瞬间对应关系。牛顿第三运动定律v定义：若物体A对物体B作用一力FAB，这物体B
9、同时以力FBA反作用于物体A，两力大小相等，方向相反，并作用于同一直线上，即FAB= FBAAB正确理解牛顿第三定律应注意的几点v 作用力和反作用力分别作用在两个物体上，与物体受到两力作用而平衡有本质区别。GNNN正确理解牛顿第三定律应注意的几点v作用力与反作用力总是同时产生同时消失。v作用力与反作用力是同种性质的力。v作用力与反作用力大小相等，但可能产生不同的运动效果。牛顿第三运动定律在体育中的运用牛顿运动定律在体育中的应用实例v向心力与离心力向心加速度向心力离心力牛顿第二定律牛顿第三定律向心力离心力链球沿切线飞出的原因v链球脱手沿切线飞出是离心力作用的结果？v这是不对的，因为：离心力是沿着
10、半径指向外的；离心力是作用在手上的；松手后向心力消失，离心力同时消失。v真正的解释是，松手后链球不再受向心力的作用，因惯性的缘故沿切线方向飞出去。支撑反作用力v静态支撑反作用力（人体静止时）GR=0 即R=G=mgv动态支撑反作用力（人体相对支撑面运动状态发生变化时）RG=ma R=G+ma蹬起时，a0，RG，超重现象下蹲时，a0，RG，失重现象超重与失重摆臂与起跳动量定理 v动量是描述物体在一定运动状态下具有的”运动量“。v作用于物体上的外力与外力的作用时间的乘积定义为力的冲量。VmKtFI力时间曲线图动量定理v概念：某段时间内动量的改变K等于所受合外力在这段时间内的冲量I。K=I或F（tt
11、0）=mVt mV0动量定理可由牛顿第二定律推导出来，00ttVVmmaFtF（tt0）=mVt mV0变力的平均冲力pFF恒力的冲量变力的冲量动量定理的矢量性 Fx=max Fx t=mVx mVx0 Fy=may Fy t=mVy mVy0 Fz=maz Fz t=mVz mVz0XYXYFGV0Vt3.20.7GF动量定理在体育运动中的应用v增大冲量延长作用距离通过延长t增大冲量 F t=mV mV0增大冲量自由泳S形滑水短跑后蹬充分缓 冲 F t=mV mV0延长作用时间减小冲力计算力学参数动量守恒定律v概念：任何物质系统在不受外力或所受合外力为零时，其总动量保持不变。F1 t=m1u
12、1m1V1 F2 t=m2u2m2V2由牛顿第三定律得：F1= F2故m1u1m1V1= （m2u2m2V2 ）M1u1+ m2u2= m1V1+ m2V2动量守恒定律在体育中的应用v动量守恒的条件是系统所受合外力为零。v系统的总动量守恒，是指系统内各个物体的动量矢量和不变，但系统内各物体的动量可以互相传递。例如：鞭打动作。v当系统所受合外力不为零时，则系统总动量并不守恒，但可能在某一方向上保持动量守恒，只要在该方向上所受合外力为零。例如跳远。动量守恒定律在体育中的应用短道速滑接力冰壶运动人体运动中的功能关系v功是能量的转换的量度；v能量是物体做功本领大小的反映。能量 A能量 B做功机械功v概
13、念：机械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。SW=F S cos机械功若=0时，则W=FS，力作正功；若090时，力作正功；若=90时，则W=0，力不作功；若90 180时，力作负功；若=180时，则W= FS。注意：功只有大小，没有方向，是标量。正功表示外力对物体做功，力与位移同向。负功表示克服阻力做功；力与位移反向。机械功率v机械功率是反映做功快慢的物理量。 平均功率 瞬时功率tWP/0/limttWPcosVFP人体运动时的功率v体力劳动时的平均功率为36.7873.55 Wv马拉松的功率可达1471 Wv100米跑功率可达11.77 KW机械能v概念
14、：物体因机械运动所具有的能量。v动能物体由于本身的运动而具有的能量。平动动能 EK=1/2 mV2转动动能 E=1/2 I2 铁饼投掷铁饼投掷势能v势能由相互作用的物体间的相对位置决定的能量。重力势能 Eg= mgH弹性势能 Ee=1/2KS2三米板功能原理 F = m aaVVS22021mmV0VSF20220221212)(mVmVVVmSFtt功能原理v概念： 除重力、弹性力以外的力对研究对象所做的合功，等于研究对象机械能的增量。机械能守恒和转化定律v概念： 如果系统所受内外力（除重力和弹性力）都不做功或所做功的总和为零，或物体所受合外力为零，则系统的总机械能保持不变。机械能守恒v在体
15、育运动中，关于机械能守恒的条件严格讲只有腾空状态，且不计空气阻力才成立。v普遍的能量守恒和转化定律常用动力学测量方法Kistler 三维测力系统 常用动力学测量方法Novel 鞋垫式足底压力测量系统 常用动力学测量方法Cybex 等速测力仪思考题v回答下列问题，并用体育实例说明：(1)物体受恒力作用时，是否只能作匀加速直线运动。(2)当人体或器械同时受到几个方向不同的外力作用时是否一定要做加速运动。v在平静的湖面漂浮着两艘质量分别是100千克和200干克的船，两船通过一根绳子互相牵引，求两船开始运动时的加速度之比？v体重65kg的运动员作提拉杠铃的动作，把地面120kg的杠铃以1.5米/秒2的加速度上提，求运动员对地面的压力为多大？v体重70kg的跳高运动员蹬伸起跳时，如果两臂上摆的加速度为30米/秒2，摆动腿上摆的加速度为20米/秒2，根据松井秀治的数据：两臂相对重量为10%，一条腿的相对重量为17.2%，求由于摆臂摆动腿动作增加的起跳力为多大？
