湖南理工学院《运动生物力学》课程论文

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湖南理工学院《运动生物力学》课程论文浅析影响短跑运动员成绩的力学因素作者班级1101院部体育学院专业体育教育学号任课教师完成时间2013年12月21日\n摘要：影响短跑成绩提高的因素很多,其中外源性生物力学因素容易被大多数教练员忽视。外源性生物力学因素属力学类范畴,它是由身体质量、空气助力和地球的引力等构成。通过影响短跑成绩提高的这些力学因素,对如何通过训练手段、鞋、服装以及运动场地的设计来克服这些力学因素,以求达到提高速度的目的。关键词：生物力学；短跑；途中跑；阻力\n\n前言短跑在田径运动中一直是最受关注的项目。一直受到广大教练员和科研人员的高度重视。在我国,男子短跑运动属于落后项目，在短跑训练中,技术训练和素质训练是提高速度的主要训练手段和方法。我们在训练计划和训练内容上很难看到与力学有关的训练信息。忽视了力学因素在短跑训练中对提高速度有着极其重要的作用。而许多可提高速度成绩的辅助手段都具有生物力学性质。这些具有辅助手段的生物力学因素可划分内源性生物力学因素和外源性生物力学因素两大类。内源性生物力学因素是通过使身体最佳力学结构来提高运动成绩。外源性生物力学因素是指能提高运动成绩的身体以外的一切方法和条件。其作用机制是能有效的改变从而减少力学因素对成绩影响分析我国男子短跑项目落后的原因。为我国短跑项目的训练提供理论依据和参考建议。最终为提高我国短跑项目的运动水平具有重大意义。1.影响短跑成绩的力学因素1.1万有引力根据牛顿力学,万有引力的大小与两相作用物体质量的乘积成正比,而与两物体间距离的平方成反比(万有引力=GmM/r^2)。万有引力对人类从事的各种运动项目都有约束性影响,只有当人类到不存在万有引力的空间去从事体育活动时,这种情况才会改变万有引力的影响,不仅直接施加到人体和各种体育器械上,而且作为大多数限制性力学因素的一部分,而间接作用到人和器械上。重力是地球引力和绕地轴转动的惯性力心力的合力,海拔越高引力越小(f=GMm/r^2)r在这里表示道地心的距离而惯性力心力越大,(\nf=mrw^2)r在这里表示到地轴的距离,w表示绕地轴的转动角速度,它不会因为你爬到山上而变,但r确大了,故离心力变大,海拔高了重力就会小,纬度越高。到地心的距离不变,而到地轴的距离确越来越小,即引力大小不变而离心力越来越小。所以纬度越高,重力越大。因此,体育比赛在纬度地区举行时,会随着纬度的不同,重力加速度也随之变化,甚至达到具有显著影响的地步,所以赤道的重力加速度比高纬度的重力加速度小,2008年北京奥运会田径记录多次被刷新,和北京位于北纬39度有很大的关系。1.2摩擦力两个物体互相作用的力,这个力叫摩擦力。动的发生,物体形变部位变换,即动态形变也会消耗一部分能量而显示出阻力性;有些变形较大的物体还会产生明显的形位阻力。如跑鞋与塑胶地面接触时,塑胶表面就会向下凹陷,增大了跑道与鞋的摩擦力。1.3向心力物体做圆周运动时,沿半径指向圆心方向的外力(或外力沿半径指向心方向的分力)称为向心力。从运动学角度可以证明,做匀速圆周运动的物体的加速度大小为a=v^2/r=X^2r,方向总是指向圆心,因此匀速圆周运动的加速度,叫向心加速度.向心加速度只改变速度的方向,不改变速度的大小。在200m短跑项目中,运动员在做圆周运动时,如何有效的提高向心加速度,是提高运动员成绩的有效途径。1.4空气阻力是指空气对运动物体的阻碍力,是运动物体受到空气的弹力而产生的。在短跑这类速度项目中,空气阻力是有碍运动员提高成绩的一个重要环节。根据空气阻力的公式:F=(1/2)CQSV^2计算。式中:C为空气阻力系数;Q为空气密度;S物体迎风面积;V为物体与空气的相对运动速度。由上式可知,正常情况下空气阻力的大小与空气阻力系数及迎风面积成正比,与速度平方成正比。运动员可以通过高速身体姿势来减小S,还可以运动着装来减小C,减小速度一般不会对成绩产生不利影响,而空气密度Q在正常气候条件下,海平面的空气密度约为1.22Kg/m3,在海拔2000m的度,空气密度下降为1.00Kg/m3,如果其它条件不变,则空气阻力也将下降。这对于提高短跑运动员克服空气阻力具有重要的意义。1968年,在海拔2206m的墨西哥城举行的奥运会创下一批优异的成绩,充分印证了成绩的创造与空气密度下降的紧密关系。\n1.外源性力学因素对短跑成绩的影响2.1服装对速度的影响在参加世界大赛上,可以看到一些短跑运动员身穿一种类似速度滑运动员所穿的紧身服,希望能以此来降低比赛时遇到的空气阻力。短跑的最大速度要比速滑的速度低得多,虽然速度比较低,但穿上减小阻力的服装还是会有此优势的,尤其在迎风的情况下。考虑到迎风跑时克服空气阻力的高能耗,穿紧身服对运动成绩的提高具有良好的作用。穿这样的服装而不是通常穿宽松的背心和运动短裤,将有助于减小形状阻力,潜在提高运动员的成绩。2.2跑鞋对速度的影响近年来,鞋对运动成绩的影响也逐渐被重视起来。为增加鞋与地面的摩擦力,跑鞋的设计以及鞋钉的分布都围绕提高速度进行开发,为追求轻质,要求跑鞋全面紧锁脚面的力量型短跑运动员而设计适用于短跑专业运动员技术型鞋钉。因此,就仅仅鞋子的重量就会对跑的成绩产生很大的影响,增加脚部的重量会增加每个步幅周期中抬脚和向前加速时所作的功。例如,假设以4.5m/s的速度跑时每只脚的动作频率大约为90周期/min。在选择6.5m/s为脚的平均水平速度,0.6m为脚的平均垂直位移,这样就可以从计算跑速度为4.5m/s时,脚上附加重量所引起的额外能耗。解1:设抬起每只鞋增加了0.10kg重量的脚所作额外功。计算公式为:dw=dm#g#hdw为额外功(单位为j)dm是加到每只脚上的额外质量(单位为kg)b为重力加速度,大小为9.8m/sh为脚抬的高度,单位为m将上面数据代入公式,则有:dw=(0.1)#(9.8)#(0.6)=0.588j/每周期。在1分钟的90个周期里,两只脚共做额外功:(2)#(90)#(0.588)=52.9j/min。解2:鞋增加的重量所多作的额外功的总量为:52.9+379.8=432.7j/min\n所以每只脚增加0.1kg所多消耗的能量约占总能耗的1.2%,以上数据表明,一个穿较轻型号跑步的运动员,比穿较重型号鞋跑步的运动员在相同生理负荷下能将跑速提高,这一数据具有潜在的重要意义。2．3运动场地对短跑成绩的力学影响2.3.1当有圆周运动运动时就会有离心力和向心力短跑中的200m和400m属圆周运动的项目。这里我们主要讲针对椭圆弯道跑的影响,即在不同的跑道上维持运动员圆周所需的力量(F=mv-/r;m为运动员质量,v速度及弯道的半径r)。由于有一部分肌肉力量要用于维持运动员沿弯弧线跑,所以跑速必然会有所下降,通过将200m直道跑与带一个弯道的200m跑相比较可以发现,弯道跑将使用的总时间增加0.4s。运动员利用跑到来获得弯道跑所需要的向心力。这个力主要是摩擦力,指向道圆心,作用在运动员的脚上。跑弯道时,运动员身体向内圈倾斜,内低外高的弯道可以减小对摩擦力的要求,因为这种斜面能产生一定的水平反作用力,由于室外场地缺乏坡度,弯道上的各运动员向心力较小，便不能发挥更好的成绩。2.3.2在弹性硬度极好的跑道上跑,能缩短支撑时间,增加步长,提高成绩美国哈佛大学己经铺设了弹性硬度为运动员弹性节奏三倍跑道,而且在这种跑道上跑成绩将提高2%;北京奥运会塑胶跑道采用了意大利进口的新技术,比以往的跑道在性能和弹性硬度上都有很大的提高,特别是速度性项目,对运动员成绩提高起到了一定作用。3．内源性力学因素对短跑成绩的影响3.1摆动腿对短跑成绩的影响3.1.1摆动快速折叠对短跑的影响\n在对摆动腿的研究中,我们首次引入膝点运学变化这一指标进行分析。由表2可知,支撑阶段摆动腿膝点平均水平速度与支撑阶段人体质心平均水平速度呈正相关趋势,摆动腿膝点水平速度越快,支撑阶段人体水平速度越快。这表明,摆动腿的快速前摆对支撑阶段人体的水平速度的持和增加有着重要意义。同时,膝点水平速度较快的运动员在技术上表现为着地时摆动腿膝角、髋角相对较小,可见其空中剪绞更加积极。表2不同水平运动员支撑阶段有关运动学指标对照指标HANLIULI(女)SUN(女)支撑阶段质心平均水平速度/m#s-110.3210.128.428.19支撑阶段摆动腿膝点水平速度/m#s-115.112.512.211.8着地时摆动腿的髋角/b169171184179着地时摆动腿的膝角/b40324242此外,由于运动员LIU摆动腿摆动较早,大小腿折叠较紧,着地时摆腿髋角也较小,因而其着地时质心向下的垂直速度较小,前支撑阶段质心水平速度呈逐渐上升态势;而其它3名着地时摆动腿膝点垂直速度为负的运动员的重心垂直速度变化则较大,前支撑段人体质心速度呈减速态势由此可见,摆动腿的快速折叠前摆不仅与人体水平速度的保持和增加直接相关,对于维持人体垂直速度变化不致过大,保证人体平稳向前也有着重要意义。优秀运动员总是力争使膝点在着地时已开始向上摆动。3.1.2摆动腿积极摆动对短跑的影响高抬大腿迅速下摆在脚着地的一刹那腿部所受到的地面给予的反作用力和脚着地后到开始急速后蹬之前腿部积极地的肌肉用力,构成人体向前运动的动力。因为腿部具有一定的长度,一定的质量,大腿高抬后,在重力和大腿肌肉收缩力的作用下迅速下摆(像鞭子一样抽打地面)。在脚着地的整个下摆过程中,腿部获得一个相应的转动动能,众所周知,能量是不灭的,当摆动腿的脚着地后的一刹那,这个转动动能通过脚作用到地面上,形成一个相应的作用力。而根据作用力与反作用力定律(牛顿第三律)可知,地面也必然有一个与之大小相等方向相反的反作用力作用到人腿上,从而对人体重心的运产推动作用,使人体运动速度发生变化。在高速摆动的脚着地时,实际上是整个一条腿以相当大的速度打击到地面上,腿部的转动动量在这击的一刹那形成一个相当大的作用力\n(F)作用到地面上。根据牛顿第三定律可知,会有一个与F大小相等方向相反的反的用力F,作用到人体重心上。这个作用力F的作用点是脚的着地点,作用方向是脚摆动弧线在这一点的切线方向上。但是,由于在途中跑中脚的着地点是在人体重心投影点之前,作用力的方向又在脚摆动弧线的切线方向上,所以,作用力F跟地面不是平行的,它与地面构成了夹角a相应地作用到人体重心上的与F大小相等方向相反的F,也与人体前进的水平方向构成一个夹角a。这样反作用力F就可以分解成一个水平向前的分力FZ和垂直向上的分力F,通过分解可知F与人体前进的方向平行一致,因此,FZ构成了推动人体前进的动力。应当强调的是,脚着地时获得的推动力F是通过腿部的迅速用力的摆动而产生的,如果腿部不作迅速用力的摆动只是消极僵直地掇向地面,当然不会获得向前推力而只会产生前蹬阻力。3.1.3摆动腿扒地产生引力对短跑的影响运动员在跑进中,脚在身前着地,前支撑反作用力的水平分力与人体运动的速度方向相反,是阻碍人体向前运动的阻力,因此,人体移动总是要受到大小不同的前支撑的反作用力—阻力。阻力的大小决定于运动员的技术情况:动作越协调放松,技术正确,阻力越小;动作紧张、僵硬,技术不正确,阻力越大。脚在身前着地除了前支撑反作用力外,我们认为运动员的“鞭打”扒地能产生一个引力。“鞭打”扒地的技术,是在腾空后原摆动腿大腿积极下压、臀部和大腿后群肌主动积极收缩作“回拉”后扒着地动作,着地时膝棵关节进行缓冲。在这种情况下,一部分抵消了前支撑反作用力的水平阻力,缩短了人体受水平阻力作用的时间,另一部分作用于人体,使人体产生一定的加速度。这个力是由前向后拉的力,即牵引或拉力。着地后,由于臀部和大腿后群肌继续收缩,仍可以使支撑腿获得一个绕俄轴转动的动力。由于着地前的“鞭打”扒地和着地后大腿后群肌继续收缩“回拉”,这个力是由近侧支撑时作用于地面产生的一个牵引力—拉力。短跑运动员在跑中穿跑鞋,一方面是使后蹬更牢固(增大摩擦力),另方面也是在“鞭打”扒地着地时,跑鞋钉子犹如船工竹竿的钩,运动员大腿后群肌继续收缩向“后拉”时有牢固的支点,这与船工用带钩的竹竿钩住岸边的大石块牵引船前进基本一致。加之另一条腿的由后向前摆动和惯性力,促使运动员支撑腿很快移过直面,进入后蹬阶段。\n3.2蹬摆结合作用力对短跑的影响人体重心处于支撑腿的正上方时,摆动腿折叠前摆顶膝带骸(首先是伸)向正前上方摆动,肌肉以其拉力影响运动,而这种拉力则是通过骨杠杆来传递的。在近侧支撑的情况下,对人体能产生一个向正前上方的拉力。如上图所示,这个拉力(F拉)产生两个实际效果。根据力正交分解,就将F拉分解为互成垂直的F,F:两个力。F产生的效果是竖直向上提人体,故减轻了人体对地面的压力,FZ产生效果是推动人体沿水平方向产生加速度。由于拉力(前摆),有助于支撑腿原来被拉长的大小腿伸肌在后蹬时弹性“回位”进行快速的收缩。另外,根据落体法则,大腿抬得越高，腿的下落速度越快这一理论,摆动腿大腿向前上方摆得高,为腾空后鞭打、扒地提供了更加良好的条件。支撑腿的向后蹬地的反作用力,对人体说产生一个推力,形成“一拉一推”的正确蹬摆技术,并造成了两大腿之间的夹角大。由于“一拉”,更加强了后蹬力量,增大了后蹬速度,造成了合理的后蹬角度,促进了后蹬腿的伸直程度,其结果是提高了后蹬效果,增大了步幅。腾空后由于原摆动腿大腿积极下压(“鞭打”),大腿后群肌主动积极收缩向后扒地,这个力是由前向后拉的力(弹力),方向就能迅速向前,扒地着地时膝盖踝关节进行缓冲,又减小了制动,减小了前支撑反作用力。原后蹬腿腾空后自然折叠靠拢,缩短了摆动半径(半径越短,摆动阻力越小),并迅速并大腿(由后向前摆动),加快了摆速,促使支撑腿大小腿伸肌迅速拉长,膝棵关节压紧,犹如压紧的弹簧一样,使支撑腿具有更大的势能(在肌肉弹性限度内,肌肉拉得越长,收缩力越大),推迟了后蹬的时间,使支撑腿(蹬地腿)作用力的距离加长,为有的后蹬提供了更有利的条件。一腿“鞭打”向后扒地,膝踝关节缓冲,另一腿折叠靠拢迅速并大腿,形成了“一扒一并”的一组力,这组力加速了重心前移,造成了向前的加速运动;这组力加快了两腿的交换频率,缩短了前支撑时间,提高了步频。1.结论和建议对短跑运动成绩有不利影响的力学因素都可通过外源性生物力学手\n段来部分消除这些外源性生物力学手段包括穿戴按动力学设计的服装，比较轻的鞋和运动场地等,速度性项目在考虑技术、素质等训练的诸多因素下,作为教练员应对短跑运动员自身条件以外的因素加以考虑,在训练中解决力学因素对运动员训练效果的影响。如选择训练场地、地点、运动员的比赛装备、训练的手段等。这些外部因素都有利于短跑运动员在比赛中成绩的提高。也可以通过提高自身的技术水平，1)在短跑途中跑过程中,摆动腿积极前摆配合下的支撑腿的快速展髋在途中跑整个支撑阶段均可提供动力,支撑过程中人体质心速度的任何变化都与这个剪绞)制动系统的工作状态直接相关,前支撑段人体也可能获得加速。2)途中跑支撑过程中,支撑腿的膝并不是通过屈、伸创造动力,而是服从并服务于髋的运动。摆动腿的快速折叠前摆不仅直接影响人体水平加速,对着地之初维持人体重心不过多下降,进而创造合理的垂直速度有重要意义。3)途中跑过程中,前支撑段或者说支撑过程的前段是人体加速最重要的动力过程,改进途中跑技术应走完善前支撑段技术与能力的道路。前支撑段不是越短越好,随着运动员成绩及能力的不断提高,应随之增加前支撑段并相应减小支撑阶段后期。前支撑段距离要适宜运动员的速度水平和力量特点,尤其是伸髋与屈髋力量水平及其协调发展。\n参考文献[1]闫松华;百米跑速度结构分析及有关技术训练手段研究[D];北京体育大学;2004年[2]王志强;短跑途中跑支撑摆动技术生物力学机制研究[J];体育科学;2005年07期[3]王志强,吴飞,李清华,王小鹏;对短跑途中跑支撑摆动技术机制研究[J];北京体育大学学报;2003年01期[4]黄达武;软性塑胶跑道对短跑途中跑及其部分专项力量训练手段技术的影响研究[D];武汉体育学院;2006[5]吴太平;试论短跑技术训练中“以摆带蹬,蹬摆结合”[J];成都体育学院学报;1980年02期[6]赵伏生;孙勇;;对短跑项目力量影响因素的研究[A];第七届全国体育科学大会论文摘要汇编（二）[C];2004年[7]王玉锋;;短跑的项目特征及其力量训练[A];第七届全国体育科学大会论文摘要汇编（二）[C];2004年[8]建新,杨木;关于跑的技术探讨[J];北京体育大学学报;1980年01期[9]金季春.运动生物力学[M].北京:北京体育大学出版社,2007:9