1、人体平衡Body Balance中医工程教研室中医工程教研室运动康复生物力学人体平衡1Fundamentals of biomechanicsDuane V.Knudson2003 Introduction to Sports Biomechanics:Analysing Human Movement PatternsRoger Bartlett2007运动康复生物力学人体平衡2Biomechanics in sport:performance enhancement and injury preventionVladimir M.Zatsiorsky,IOC Medical Commissi
2、on,International Federation of Sports Medicine2000Applied anatomy and biomechanics in sport By Timothy R.Ackland,Bruce Elliott,John Bloomfield2009运动康复生物力学人体平衡3运动康复生物力学运动康复生物力学钱竟光，宋雅伟等编著人民体育出版社2008运动生物力学张昌亨主编武汉体育学院出版社1996运动康复生物力学人体平衡4一、力学基础理论 运动学特征：物体的运动在空间与时间等方面表现出的差异特征运动学特征：物体的运动在空间与时间等方面表现出的差异特征（运
3、动轨迹、路程、角度、位移、动作的先后次序与持续时间等）（运动轨迹、路程、角度、位移、动作的先后次序与持续时间等）以经典牛顿力学理论为基础以经典牛顿力学理论为基础 研究时把人体及器械看作是质点、刚体或刚体系统处理研究时把人体及器械看作是质点、刚体或刚体系统处理质点：质点：具有一定质量忽略其大小、形状的几何点具有一定质量忽略其大小、形状的几何点刚体：刚体：相互间距离始终保持不变的许多质点组成的连续体相互间距离始终保持不变的许多质点组成的连续体运动康复生物力学人体平衡5一、力学基础理论 位置矢量（空间矢量）位置矢量（空间矢量）轨迹轨迹 路程与位移路程与位移运动康复生物力学人体平衡6一、力学基础理论
4、速率、速度、即时速度（瞬时速度）、加速度速率、速度、即时速度（瞬时速度）、加速度1.运动康复中常常关心实际通过的距离，而不关心位移运动康复中常常关心实际通过的距离，而不关心位移2.加速度加速度是重要的康复指标，如步态训练中脚的离地是重要的康复指标，如步态训练中脚的离地 时间特征参数时间特征参数运动何时开始和结束运动何时开始和结束持续时间持续时间运动频率运动频率运动的时间结构（节律）运动的时间结构（节律）运动形式运动形式直线运动直线运动曲线运动曲线运动平动平动转动转动复合运动复合运动运动康复生物力学人体平衡7一、力学基础理论力的概念力的概念力是物体间的相互作用，力的作用离不开物体内效内效应应外效
5、应外效应力的三要素：大小、方向、作用点运动康复生物力学人体平衡8一、力学基础理论 作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的必要与充分条件作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的必要与充分条件是：是：这两个力这两个力大小相等、方向相反、沿同一条直线。大小相等、方向相反、沿同一条直线。ABFF 可传性原理：作用于刚体上的力，可传性原理：作用于刚体上的力，可沿其作用线移到刚体上任意点而可沿其作用线移到刚体上任意点而不改变该力对刚体的不改变该力对刚体的外效应外效应二力平衡二力平衡AFABF运动康复生物力学人体平衡9一、力学基础理论三力平衡汇交定理三力平衡汇交定理 当刚体受三个力作用而平衡时，若其中任何当刚体受三个
6、力作用而平衡时，若其中任何两力的作用线相交于一点，则其余一力的作用线两力的作用线相交于一点，则其余一力的作用线亦必交于同一点，且三力的作用线在同一平面内。亦必交于同一点，且三力的作用线在同一平面内。1A2A2F1F3A3F 说明不平行三力平衡的说明不平行三力平衡的必要条件。必要条件。即：三力平衡必汇交。即：三力平衡必汇交。三力汇交不一定平衡。三力汇交不一定平衡。运动康复生物力学人体平衡10一、力学基础理论力系的概念力系的概念 作用于一个物体上的一群力称为力系作用于一个物体上的一群力称为力系 如果某个力系作用在物体上，而使物体处于平衡状态，则这个力系如果某个力系作用在物体上，而使物体处于平衡状态
7、，则这个力系称为平衡力系称为平衡力系 如果作用于物体上的力系可以用另外一个力系代替，而它对物体作如果作用于物体上的力系可以用另外一个力系代替，而它对物体作用的效应相同，则称这两个力系彼此等效。用的效应相同，则称这两个力系彼此等效。如果一个力和一个力系等效，则这个力称为这个力系的合力如果一个力和一个力系等效，则这个力称为这个力系的合力运动康复生物力学人体平衡11一、力学基础理论力系的简化力系的简化1.力的平行四边形法则力的平行四边形法则 R12 2.多边形法则多边形法则nii11FFFFFn2R运动康复生物力学人体平衡123.力矩和力偶力矩和力偶力矩：力矩：从给定点到力作用线任意点的向径和力本身
8、的矢积从给定点到力作用线任意点的向径和力本身的矢积 M=LF（公式）（公式）力偶：力偶：大小相等、方向相反、作用线不在同一直线上的一对力大小相等、方向相反、作用线不在同一直线上的一对力力偶性质：力偶性质：1.力偶无合力；力偶无合力；2.只要保持力偶距不变，可相应改变力及力只要保持力偶距不变，可相应改变力及力臂大小，其作用效应不变；臂大小，其作用效应不变；3.力偶对物体的作用与矩心无关。力偶对物体的作用与矩心无关。一、力学基础理论力系的简化力系的简化运动康复生物力学人体平衡13一、力学基础理论力系的分类力系的分类力系力系平面力系平面力系空间力系空间力系（根据力系中各力的作用（根据力系中各力的作用
9、线是否在同一平面）线是否在同一平面）平面力系平面力系汇交力系汇交力系平行力系平行力系一般力系一般力系（根据力系中各力线是否相交）（根据力系中各力线是否相交）汇交力系汇交力系A AF F2 2F F1 1F F4 4F F3 3FR平行力系平行力系F1F2F3F4F5A运动康复生物力学人体平衡14一、力学基础理论力系的平衡力系的平衡 平面任意力系的一般简化结果为一个主矢平面任意力系的一般简化结果为一个主矢 F FR R和和一个主矩一个主矩M M 。当物体平衡时，。当物体平衡时，主矢和主矩必须同时为零主矢和主矩必须同时为零。02222YXRyRxRFFFFF由主矢由主矢 F FRR=0=0，即：，
10、即：得：得：0XF0yF由主矩由主矩 M M=0=0，得：，得：0M运动康复生物力学人体平衡15一、力学基础理论作用与反作用定律作用与反作用定律 两物体间相互作用的作用力和反作用力总是两物体间相互作用的作用力和反作用力总是同时同时存在存在，大小相等，方向相反，沿同一直线大小相等，方向相反，沿同一直线，分别作用，分别作用在这两个物体上。在这两个物体上。F1F2 运动康复生物力学人体平衡16一、力学基础理论约束和约束反力约束和约束反力1.1.自由自由体体可以在空间作任意运动的物体。可以在空间作任意运动的物体。2.2.非非自由体自由体由于受到周围物体的限制（或阻碍）而由于受到周围物体的限制（或阻碍）
11、而不能作任意运动的物体不能作任意运动的物体。3.3.约束约束事先对物体的运动所加的限制条件事先对物体的运动所加的限制条件。4.4.约束约束反力反力约束作用于非自由体的力。（简称：约束作用于非自由体的力。（简称：约约束力束力或或反力反力）除除约束力外，非自由体上所受到的所有促使物体运动或有约束力外，非自由体上所受到的所有促使物体运动或有运动趋的力，称为运动趋的力，称为主主动力（重力、肌力、电磁力）动力（重力、肌力、电磁力）。约束力约束力是由主动力引起的，故它是一种是由主动力引起的，故它是一种被动力被动力。运动康复生物力学人体平衡17二、人体或人体局部受力分析人体或人体局部受力分析相关概念人体或人
12、体局部受力分析相关概念 解决力学问题时，首先要选定需要进行研究的物解决力学问题时，首先要选定需要进行研究的物体，即体，即确定研究对象确定研究对象；然后考查和分析它的受力情况，；然后考查和分析它的受力情况，这个过程称为进行这个过程称为进行受力分析受力分析。1.1.分离体分离体把研究对象解除约束，从周围物体把研究对象解除约束，从周围物体中分离出来，画出简图。中分离出来，画出简图。2.受力分析图受力分析图将分离体所受的主动力和约束将分离体所受的主动力和约束反力以力矢表示在分离体上所得到的图形。反力以力矢表示在分离体上所得到的图形。运动康复生物力学人体平衡18二、人体或人体局部受力分析人体或人体局部受
13、力分析步骤人体或人体局部受力分析步骤1.1.确定研究对象，取分离体（抓住主要矛盾，分离次要矛盾）；确定研究对象，取分离体（抓住主要矛盾，分离次要矛盾）；2.2.先画主动力，明确研究对象所受周围的约束，进一步明确约束类型，先画主动力，明确研究对象所受周围的约束，进一步明确约束类型，什么约束画什么约束反力。什么约束画什么约束反力。3.3.必要时需用二力平衡共线、三力平衡汇交等条件确定某些反力的指必要时需用二力平衡共线、三力平衡汇交等条件确定某些反力的指向或作用线的方位向或作用线的方位。注意：（注意：（1 1）受力分析图只画研究对象的简图和所受的）受力分析图只画研究对象的简图和所受的全部力；（全部力
14、；（2 2）每画一力都要有依据，不多不漏；（）每画一力都要有依据，不多不漏；（3 3）不要画错力的方向，反力要和约束性质相符，物体间的不要画错力的方向，反力要和约束性质相符，物体间的相互约束力要符合作用与反作用公理。相互约束力要符合作用与反作用公理。运动康复生物力学人体平衡19跑的受力分析跑的受力分析弹力弹力重力重力阻力阻力摩擦力摩擦力重重力力弹弹力力摩摩擦擦力力阻阻力力二、人体或人体局部受力分析运动康复生物力学人体平衡20花样滑冰的受力分析花样滑冰的受力分析二、人体或人体局部受力分析运动康复生物力学人体平衡21人体运动的内力与外力人体运动的内力与外力 内力：人体内部各个部分互相作用的力（肌力
15、、韧带张内力：人体内部各个部分互相作用的力（肌力、韧带张力、软骨应力、骨应力）力、软骨应力、骨应力）外力：外力：1.重力重力G=mg（重力（重力=质量质量重力加速度）重力加速度）重力与运动康复之间的联系：重力与运动康复之间的联系：骨折后功能位的保持骨折后功能位的保持二、人体或人体局部受力分析运动康复生物力学人体平衡222.摩擦力（静摩擦力与滑动摩擦力）摩擦力（静摩擦力与滑动摩擦力）摩擦力与康复：摩擦力与康复：1.骨折后的不同骨针固定选择骨折后的不同骨针固定选择2.摩擦力相关的功能训练摩擦力相关的功能训练3.应用于康复器械中，如拐杖前的橡皮垫、矫应用于康复器械中，如拐杖前的橡皮垫、矫形器纹路、形
16、器纹路、二、人体或人体局部受力分析运动康复生物力学人体平衡233.弹性力弹性力 虎克定律虎克定律二、人体或人体局部受力分析运动康复生物力学人体平衡244.器械的其他阻力器械的其他阻力二、人体或人体局部受力分析运动康复生物力学人体平衡255.支撑反作用力支撑反作用力在静止状态下地面或器械通过支撑在静止状态下地面或器械通过支撑点作用于人体对重力的反作用力点作用于人体对重力的反作用力6.流体作用力流体作用力人体在流体中运动时所承受的流体人体在流体中运动时所承受的流体阻力，能抵消大部分的重力阻力，能抵消大部分的重力二、人体或人体局部受力分析运动康复生物力学人体平衡26 什么是人体平衡？什么是人体平衡？
17、（1.力系平衡；力系平衡；2.加速度为加速度为0）静止静止匀速直线运动匀速直线运动二、人体或人体局部受力分析运动康复生物力学人体平衡27（一）人体平衡（一）人体平衡 人体保持某一姿态的稳定性或动态中的控制人体保持某一姿态的稳定性或动态中的控制能力。能力。静止状态静止状态匀速运动状态匀速运动状态二、人体或人体局部受力分析运动康复生物力学人体平衡28人体平衡的生物学特点：人体平衡的生物学特点：人体不能处于绝对的静止状态人体不能处于绝对的静止状态人体内力在维持平衡中发挥重要作用人体内力在维持平衡中发挥重要作用生物体在平衡控制中有补偿动作生物体在平衡控制中有补偿动作人体具自我控制与调节的能力人体具自我
18、控制与调节的能力人体平衡受到心理因素的影响人体平衡受到心理因素的影响人体平衡过程中消耗大量的能量人体平衡过程中消耗大量的能量二、人体或人体局部受力分析运动康复生物力学人体平衡29三、人体的重心及人体重心的测量方法 人体的重心：人体的重心：地球对人体各部分引力合力的作用点地球对人体各部分引力合力的作用点人体所受的重力，严格而言是个汇交力系；但可视作平行力系人体所受的重力，严格而言是个汇交力系；但可视作平行力系运动康复生物力学人体平衡30XOY三、人体的重心及人体重心的测量方法运动康复生物力学人体平衡31三、人体的重心及人体重心的测量方法l当人体自然站立时，总当人体自然站立时，总重心的位置一般在身
19、体重心的位置一般在身体正中面上第三骶椎上缘正中面上第三骶椎上缘前方前方7cm处处l男子的重心高度约为身男子的重心高度约为身高的高的56%，女子约为身，女子约为身高的高的55%运动康复生物力学人体平衡32三、人体的重心及人体重心的测量方法人体重心的变化特点人体重心的变化特点l 几何形状固定的物体，不管他怎样运动，其重心相对于自身的位几何形状固定的物体，不管他怎样运动，其重心相对于自身的位置是不变的。置是不变的。l 人体重心的变化方向与其运动方向一致，距离与其环节质量和运人体重心的变化方向与其运动方向一致，距离与其环节质量和运动幅度一致。动幅度一致。运动康复生物力学人体平衡33三、人体的重心及人体
20、重心的测量方法人体重心测量方法人体重心测量方法1.重心板（一维或二维）实测静态人体的重心位置重心板（一维或二维）实测静态人体的重心位置BRW RdL d d：B B点到人体重心的点到人体重心的水平距离水平距离L L：板长：板长WW：人体体重：人体体重RR：板重：板重R R：秤的读数：秤的读数运动康复生物力学人体平衡34三、人体的重心及人体重心的测量方法人体重心测量方法人体重心测量方法2.摄影和录像获得的人体图像中通过测量和计算获得摄影和录像获得的人体图像中通过测量和计算获得 原理：力矩合成原理原理：力矩合成原理 公式中：公式中：X,YX,Y分别为总重心的横、纵坐标分别为总重心的横、纵坐标 Pi
21、Pi为环节相对重量为环节相对重量x xi i,y,yi i为环节质心的横、纵坐标为环节质心的横、纵坐标iiiixPXPxPPX,1,iiiiyPYyPPY同理：,运动康复生物力学人体平衡351.1.以人体左下角边缘处以人体左下角边缘处O O点为原点绘出直角坐标系（点为原点绘出直角坐标系（OXYOXY）。）。2.2.确定各环节点位置。确定各环节点位置。3.3.确定头和手的重心位置。头的重心在耳廓上缘中点正面观时在确定头和手的重心位置。头的重心在耳廓上缘中点正面观时在两眉间，手的重心在中指的掌指关节处。两眉间，手的重心在中指的掌指关节处。4.4.连接关节点构成人体棍图。连接关节点构成人体棍图。5.
22、5.开始测量各环节的相片长度开始测量各环节的相片长度(以毫米为单位以毫米为单位)，填入环节长度一栏，填入环节长度一栏内。内。6.6.把各环节重心至近侧端距离占环节长度的比值填入半径系数一把各环节重心至近侧端距离占环节长度的比值填入半径系数一栏内。见表栏内。见表2121中具体的布拉温中具体的布拉温菲舍尔环节相对重心位置数菲舍尔环节相对重心位置数据。据。三、人体的重心及人体重心的测量方法人体重心测量方法人体重心测量方法2.摄影和录像获得的人体图像中通过测量和计算获得摄影和录像获得的人体图像中通过测量和计算获得运动康复生物力学人体平衡36运动康复生物力学人体平衡37三、人体的重心及人体重心的测量方法
23、人体重心测量方法人体重心测量方法2.摄影和录像获得的人体图像中通过测量和计算获得摄影和录像获得的人体图像中通过测量和计算获得7.7.环节长度乘以环节相对重心位置百分比，填入环节重心近侧端环节长度乘以环节相对重心位置百分比，填入环节重心近侧端实长一栏内。实长一栏内。8.8.按环节质心到近侧端实际长度一栏的数据，在照片上的环节上按环节质心到近侧端实际长度一栏的数据，在照片上的环节上点出环节质心位置。头手的位置不必计算，可以直接点出。点出环节质心位置。头手的位置不必计算，可以直接点出。9.9.从照片上测量各环节质心的坐标。从照片上测量各环节质心的坐标。10.10.把人体模型中已知的环节相对重量数据添
24、入表内（把人体模型中已知的环节相对重量数据添入表内（P P）。）。11.11.计算出各环节对轴之矩计算出各环节对轴之矩Px,PyPx,Py。12.12.求出求出Px,PyPx,Py的和，即为人体总重心位置。的和，即为人体总重心位置。13.13.在照片上点出总重心。在照片上点出总重心。运动康复生物力学人体平衡38XOY三、人体的重心及人体重心的测量方法人体重心测量方法人体重心测量方法2.摄影和录像获得的人体图像中通过测量和计算获得摄影和录像获得的人体图像中通过测量和计算获得运动康复生物力学人体平衡39四、人体平衡的分类q上支撑平衡（悬垂平衡）上支撑平衡（悬垂平衡）q下支撑平衡（倒立平衡）下支撑平
25、衡（倒立平衡）q混合支撑平衡（肋木侧平衡）混合支撑平衡（肋木侧平衡）1 1、根据人体重心与支撑点的位置关系、根据人体重心与支撑点的位置关系2 2、根据平衡的稳定性（稳度）、根据平衡的稳定性（稳度）-保持平衡的能力保持平衡的能力稳定平衡（吊袋、悬垂稳定平衡（吊袋、悬垂 ）有限度的稳定平衡（人下支撑平衡）有限度的稳定平衡（人下支撑平衡）不稳定平衡（单臂倒立）不稳定平衡（单臂倒立）随遇平衡（球的平衡）随遇平衡（球的平衡）运动康复生物力学人体平衡40（1 1）上支撑平衡：）上支撑平衡：当人体处于平衡，当人体处于平衡，且支点在人体重心且支点在人体重心的上方，这种平衡的上方，这种平衡状态称为上支撑平状态称
26、为上支撑平衡。如体操中的各衡。如体操中的各种悬垂动作。种悬垂动作。四、人体平衡的分类（2 2）下支撑平衡：）下支撑平衡：当人体处于平衡，且当人体处于平衡，且支点在人体重心的下支点在人体重心的下方，这种平衡状态称方，这种平衡状态称为下支撑平衡。例如，为下支撑平衡。例如，站立、平衡木上的平站立、平衡木上的平衡动作。衡动作。（3 3）混合支撑平衡：）混合支撑平衡：是一种多支撑点的平是一种多支撑点的平衡状态，这时有的支衡状态，这时有的支撑点在人体重心上方，撑点在人体重心上方，有的支撑点在人体重有的支撑点在人体重心的下方。例如，肋心的下方。例如，肋木侧身平衡。木侧身平衡。运动康复生物力学人体平衡41四、
27、人体平衡的分类（1 1）稳定平衡：去除破坏平衡力的）稳定平衡：去除破坏平衡力的作用后可恢复平衡。作用后可恢复平衡。其特点是当偏离其特点是当偏离平衡位置时，重心升高，产生的重力平衡位置时，重心升高，产生的重力矩使物体向平衡位置运动。矩使物体向平衡位置运动。（2 2）不稳定平衡：去除破坏平衡力）不稳定平衡：去除破坏平衡力的作用后不可恢复平衡。的作用后不可恢复平衡。其特点是偏其特点是偏离平衡位置时，重心降低，产生的重离平衡位置时，重心降低，产生的重力矩使物体继续倾倒。仅在下支撑平力矩使物体继续倾倒。仅在下支撑平衡动作出现。衡动作出现。根据平衡的稳定程度把人体平衡分为根据平衡的稳定程度把人体平衡分为4
28、 4种：种：运动康复生物力学人体平衡42四、人体平衡的分类（3 3）有限度的稳定平衡：去除破坏平衡）有限度的稳定平衡：去除破坏平衡力的作用后仅能在有限的范围内恢复平力的作用后仅能在有限的范围内恢复平衡。衡。其特点是在一定限度内的偏离平衡其特点是在一定限度内的偏离平衡位置时，人体重心升高，产生的重力矩位置时，人体重心升高，产生的重力矩使人体向平衡位置移动，最终恢复平衡。使人体向平衡位置移动，最终恢复平衡。（4 4）随遇平衡：不管什么位置下都能平）随遇平衡：不管什么位置下都能平衡。衡。其特点是偏离原来位置时，重心高其特点是偏离原来位置时，重心高度不变，不产生使物体位置移动的重力度不变，不产生使物体
29、位置移动的重力矩。矩。运动康复生物力学人体平衡43五、影响人体平衡的因素从生理学角度：从生理学角度：年龄、性别、神经控制能力、肌肉力量、身体状态（特殊年龄、性别、神经控制能力、肌肉力量、身体状态（特殊疾患）、药物使用、运动疲劳等。疾患）、药物使用、运动疲劳等。从力学角度：从力学角度：对人体而言，不稳定平衡和随遇平衡很少出现，稳定平衡对人体而言，不稳定平衡和随遇平衡很少出现，稳定平衡仅出现在上肢悬垂中，所以大多数平衡情况出现在下支撑仅出现在上肢悬垂中，所以大多数平衡情况出现在下支撑的有限平衡过程中。的有限平衡过程中。运动康复生物力学人体平衡44是人体动态平衡指标，是人体动态平衡指标，K K是人体
30、静态平衡指标。是人体静态平衡指标。支撑面大小支撑面大小重心高低重心高低稳定角（稳定角（）重力线与重心到支撑面边缘重力线与重心到支撑面边缘连线的夹角。连线的夹角。稳定系数（稳定系数（K K）稳定力矩与翻倒力矩的比稳定力矩与翻倒力矩的比值。值。五、影响人体平衡的因素运动康复生物力学人体平衡45五、影响人体平衡的因素稳定角：稳定角：重心垂直投影线和重心与支撑面边缘相应点连线的夹角，即物体重心垂直投影线和重心与支撑面边缘相应点连线的夹角，即物体在某一方向上的稳定程度的判定指标。在某一方向上的稳定程度的判定指标。平衡角：平衡角：某方向上的稳定角之和。某方向上的稳定角之和。稳定角平衡角运动康复生物力学人体
31、平衡46稳定角与平衡角稳定角与平衡角五、影响人体平衡的因素运动康复生物力学人体平衡47五、影响人体平衡的因素短跑起跑稳定角的变化短跑起跑稳定角的变化(快速打破平衡快速打破平衡)运动康复生物力学人体平衡48FhGr稳定系数的计算稳定系数的计算稳定系数（稳定系数（K）稳定力矩与翻倒力矩的比值。稳定力矩与翻倒力矩的比值。（分（分k1,k=1,k1讨论讨论)五、影响人体平衡的因素 运动康复生物力学人体平衡49五、影响人体平衡的因素质量的大小：质量越大，稳度越大；反之则小（摔跤）质量的大小：质量越大，稳度越大；反之则小（摔跤）摩擦力的大小：摩擦力越大，稳度越大；反之则小（滑摩擦力的大小：摩擦力越大，稳度越大；反之则小（滑冰易摔倒、足球要穿钉鞋等）冰易摔倒、足球要穿钉鞋等）运动康复生物力学人体平衡50
