运动生物力学的基本理论.ppt

1、運動生物力學的基本理論,運動生物力學(Sports Biomechanics),將力學應用於運動有關之人體結構、動作及相關器材、環境之科學。,運動生物力學之主要目的,積極為提昇運動表現消極為預防運動傷害,運動生物力學之應用範圍,人體結構分析（骨骼、肌肉韌帶、關節）動作技術分析主觀質化分析客觀量化分析器材設計分析（防護器具、運動器材、訓練儀器）環境分析（溫度、濕度、氣流、水流、場地）,牛頓三大運動定律(所有力學之最基本原理),1. 慣性定律(靜者恆靜，動者恆動)2.F = ma (外力總合等於質量乘加速度)3. 作用力與反作用力定律(同時產生，大小相同，方向相反，作用於不同物體 ),運動生物力學

2、之靜力學原理,平衡原理（Equilibrium）槓桿原理身體質量中心摩擦力原理（Friction）重力原理 （萬有引力定理）反作用力原理結構原理,平衡原理 （Equilibrium）,一系統所受外力合力(F )為零與合力矩(M )為零時，即達到力平衡之狀態，可分為靜平衡與動平衡。 F = 0 不移動或等速運動 M = 0 不轉動或等速轉動,平衡的穩定性,穩定平衡不穩定平衡隨遇平衡,影響平衡穩定性的因素,支撐面大小重心高度重心在支撐面的位置在受力方向的支撐面長度慣性質量與轉動慣量,影響平衡穩定性的因素,支撐面大，穩定,支撐面小，不穩定,影響平衡穩定性的因素,較穩定,最不穩定,較不穩定,重心高,重

3、心位於支撐面邊緣,影響平衡穩定性的因素,外力,外力,平衡原理實例,起跑為破壞平衡後再迅速達平衡之現象,平衡原理實例,平衡原理實例,柔道之目的在增加本身穩定性並破壞對手平衡射擊、射箭穩定性為影響成績主要因素,槓桿原理,F施力 R施力臂 = F抗力 R抗力臂第一槓桿 支點在中央 第二槓桿 抗力點在中央 省力費時 第三槓桿 施力點在中央 省時費力,槓桿原理實例,輕艇(Canoe) 划槳動作可視為第三槓桿(或第一槓桿)西式划船(Rowing) 划槳動作可視為第一槓桿(或第二槓桿),槓桿原理實例,人體肢段關節如頸椎關節 - 第一槓桿踝關節 -第二槓桿肘關節-第三槓桿,舉重提鈴動作,最佳的提鈴動作?,臀部

4、高度,槓鈴位置,輪軸系統,羽球殺球,身體質量中心(center of mass),x =xi dmi / dmiy=yi dmi / dmi,o,x,y,身體質量中心,身體姿勢的改變會影響COM的位置,身體質量中心,騰空後身體重心高度不變，但身體肢段最高點的高度不同,身體質量中心,摩擦力原理（Friction）,黏滯性摩擦 (Fluid Friction) F=CV or CV2(C is a constant; V is velocity magnitude)乾摩擦 (Dry Friction) F = N(N is the normal force) - 靜摩擦 (Static Frict

5、ion) F = sN - 動摩擦 (Kinetic Friction) F = kN,摩擦力原理實例,自由落體之終端速度 (mg-CV=0) 即為空氣之黏滯性摩擦造成阻力所產生步行即利用足底與地面之摩擦力為前進力之來源運動鞋之設計，鞋底之摩擦為主要因素(如釘鞋)運動表面之設計，摩擦為主要考量因素冬季奧運冰上或雪上運動皆為低摩擦運動,摩擦力原理實例,球類運動之旋轉球(Spin)，如桌球之旋轉(弧圈球)即由球拍與球之摩擦產生擊劍攻擊動作後腳推蹬力即由足底與地面之摩擦力所產生體操與舉重選手比賽前於手部塗抹石灰粉，乃是要增加手部與鐵槓的摩擦力,摩擦力原理實例,摩擦力方向與兩物體接觸面相對運動的方向相

6、反,球往那邊反彈 ?,重力原理 （萬有引力定理）,F = G M m/r2 G = 6.6710-11 (nt m2/Kg2)g = G M/r2 = 9.81 m/sec2 for earth,重力原理實例,重量訓練器材即利用重力為訓練之抗力拋物線軌跡即受到重力加速度影響,反作用力原理,作用力與反作用力，大小相同方向相反,反作用力原理實例,肌肉等長收縮(Isometric contraction)，等長訓練即利用反作用力為訓練之抗力測力板即利用作用力與反作用力原理求取地面反作用力,結構原理,靜滑輪:改變力方向，動滑輪:減低力量繩索僅能承受張力，同一繩索張力相同連桿 (Linkage),結構原

7、理實例,重量訓練器材即利用滑輪、繩索及連桿之組合而成人體關節可視為滑輪(骨骼端處)與繩索(肌肉及韌帶)之組合,運動生物力學之運動學原理,相對運動（Relative Movement）拋物線運動（Projectile Motion）圓周運動人體關節肢段連桿 (Linkage),相對運動,座標系統（Coordinate System）相對速度 VAB = VA - VB （由B看A）相對加速度 aAB = aA - aB （由B看A）輕艇之激流標桿之船速為船相對於水流之速度接力賽之接棒即在前後棒相對速度為零時達成,拋物線運動,水平加速度為零，垂直加速度為g水平方向為等速度運動 Vx = V0 Co

8、s垂直方向為等加速度運動 Vy = V0 Sin-gt水平距離 R = Max (X) = V02 Sin2/g當出射角為450 時，水平距離最遠垂直高度 H = Max (Y) = V02 Sin2/2g當出射角為900 時，垂直高度最高,拋物線運動,若初始高度高於落地高度(h0)，則使水平距離最遠之射角小於 45度,拋物線軌跡,最高點,上升期,下降期,受空氣阻力或升力影響，軌跡會有所改變,拋物線運動實例,鉛球、鐵餅、鏢槍之出射角略小於450跳高為一大角度之拋物線運動棒球傳球主要強調時間短而非距離遠，故拋射角皆不大跳遠之起跳角 certain value)碰撞中心 Center of Per

9、cussion (Conjugate point of handle, no impact shock)節點 Node of Vibration (No vibration),揮擊器材實例,網球拍或棒球棒擊球應以甜區撞擊以增加反彈球速及降低震動傷害,網球拍之振動,棒球棒之振動,運動生物力學之流體力學原理,浮力原理 (Buoyancy)阻力(Resistance)馬格納斯效應(Magnus Effect),浮力原理 (Buoyancy),B = V (排開體積液體密度)游泳、輕艇等水上運動即利用浮力原理利用浮力原理求身體組成密度,阻力(Resistance),形狀阻力 F = cdAv2(截面積速度平方液體密度)摩擦阻力波浪阻力,阻力實例,自由車輪設計高爾夫球表面凹洞設計鯊魚裝之設計,馬格納斯效應(Magnus Effect),棒球即利用馬格納斯效應產生橫向力造成變化球鉛球因質量大，馬格納斯效應之橫向力造成影響不大,球體表面非光滑 - 如縫線, 絨毛, 凹洞球體旋轉,香蕉球,