运动生物力学教学实验Word下载.docx

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W·

AD－（M－M0）·

AB=0

AD=M－M0·

AB

W

AD为被试标准站立姿势时的总重心的绝对高度，为了便于比较可计算人体重心的相对高度计算公式为：

重心相对高度=重心绝对高度/身高×

100%

图9-1

实验仪器与材料（instrumentandmaterial）：

体重秤、一维重心测量板、身高仪。

方法与步骤（methodandstep）：

1、学生两人一组。

2、赤足测量每人的身高、体重。

3、被试者以标准解剖姿势平躺在测量板上，另一学生读出体重秤读数并记录诶表中，然后被试者两臂平举和两臂上举，记录体重秤的读数。

4、依据上述原理和测量数据结果，分别计算出不同姿势的重心高度和标准解剖位的相对高度。

5、根据测量结果写出实验报告。

实验二分析法、图解法测定人体重心

第三章

学习运用分析法和图解法在运动图片上计算人体重心的方法和原理，深入了解影片解析仪上计算人体重心的基本原理和方法。

分析法测定人体重心是以合力矩原理为依据，选定的人体模型，依据所确定的模型提供的参数，分别计算出各环节重心，然后相对确定的直角坐标系的坐标轴进行力矩合成。

公式如下：

nn

∑PiXci∑PiYci

Xc=i=1Yc=i=1

PP

式中Xc、Yc是人体总重心在坐标系OXY中的相应坐标值，Xci、Yci人体各环节在同一参考坐标系中的相应坐标值，Pi是各环节的重量，n是计算总重心坐标时所取的环节总数，P是人体总重量，若把P看成1，则Pi为相对重量，那么，公式可以简化为：

nn

Xc=∑PiXciYc=∑PiYci

i=1i=1

运动技术图片一张、直尺、坐标纸。

实验方法与步骤（methodandstep）：

1、建立直角坐标系

2、确定各关节重心点

3、连接关节点构成人体单线图

4、测量各环节的长度，填入预制表格内

5、根据选定的人体模型的环节半径系数，测定各环节的重心位置和坐标，填入表内。

6、根据选定的人体模型的各环节相对重量及各环节重心坐标分别求出PiXi、PiYi，填入表格内。

7、根据公式求出人体全部环节重心nn

∑PiXi∑PiYi

即为人体总重心Xc、Yc

7、在图中标出Xc、Yc。

（见图9-2）

图9-2

分析法计算人体重心记录表

环节

环节重心坐标

XY

相对重量

PX

PY

备注

头

0.0706

躯干

0.4270

上臂（左）

0.0336

上臂（右）

前臂（左）

0.0228

前臂（右）

手（左）

0.0084

手（右）

大腿（左）

0.1158

大腿（右）

小腿（左）

0.0527

小腿（右）

足（左）

0.0179

足（右）

合计

∑PX

∑PY

人体各环节相对重量和环节重心半径系数表（据松井秀治）

环节相对重量

男（两侧）

女（两侧）

环节重心半径系数

男

女

0.044

0.037

0.63

颈

0.033

0.026

0.50

0.479

0.487

0.52

上臂

0.053

0.051

0.46

前臂

0.030

0.41

0.42

手

0.018

0.012

大腿

0.200

0.223

小腿

0.107

足

0.038

实验三不同跑速时步长与步频关系实验

第四章

实验目的（purpose）:

通过实验,使学生加深理解速度概念的物理意义,初步掌握测定平均速率的方法.了解在不同跑速情况下的步长和步频的变化规律.

实验原理（principle）:

跑速=步长×

步频

步频=步数/时间

实验仪器与材料（instrumentandmaterial）:

计时秒表，20M卷尺

1同跑速时步长与步频关系图。

◇受试者以慢速、中速、快速和最高速度分4次跑完20M，在20M始端加15M预跑距离，以便进入20M跑道后能以匀速跑完全程。

记录20M跑的时间和步数。

4人为一个实验组，计时、发起跑信号、计步数和受试各一人，轮流司职。

上述结果填入下表。

不同跑速时步长与步频记录表

项目

时间/s

步数/次

速度/m·

s-1

步长/m

步频/s-1

慢速

中速

快速

最高速度

◇根据运动学公式，分别计算每次跑的速度、步长、步频，将结果填入上表。

◇绘制步长与步频关系图。

根据记录采集的数据和计算结果，绘制不同跑速情况下的步长和步频关系图。

1、20M快跑。

由站立式起跑开始，测定20M跑的最高速度，记录时间、步数，计算出速度、步长和步频。

实验结果讨论（discussionforresult）：

1、速度增加时，你的步长与步频是如何变化的？

2、比较1、2两个实验中，最高速度的差别是什么？

3、根据文献，世界优秀短跑运动员，在最高速度时，步长约等于1.014倍的身高。

计算出你的最高速度时，步长与身高之比。

进行比较评价。

4、你认为短跑运动员在速度增加时，步长与步频应该如何变化为宜？

实验四绘制运动中人体点的轨迹

第八章

了解人体运动的运动学特征；

掌握人体运动电影图片绘制点的轨迹的方法。

按照运动生物力学影像测量的要求拍摄的影片，记录了人体在空间和时间中的运动，反映了人体运动的空间特征、时间特征和时空特征等信息，是分析体育运动动作的重要依据。

将人体运动动作拍摄成影片，再把各幅影片上人体特定点（各关节中心）标记在坐标系中，按时间顺序把各点连结成圆滑曲线。

形成人体特定点的运动轨迹。

实验仪器和材料（instrumentandmaterial）：

一组按照运动生物力学影像测量的要求拍摄的反映运动动作的（短跑运动）影片，米尺，坐标纸。

1、按时间顺序给照片编号

2、在各幅照片上建立统一坐标系，并标记人体某一点（如髋关节中心点）。

3、测量各幅照片上人体某点的坐标值，标记在坐标纸上。

4、按时间顺序将各点连成光滑曲线。

5、在选取其它关节中心点，重复步骤3、4。

6、观察曲线形状。

实验结果与讨论（discussionforresult）：

实验结果反映了哪些运动学特点？

试描述轨迹反映的运动学特点？

实验五绘制人体运动简图

学习根据电影图片绘制人体运动简图的方法，根据运动简图对运动动作进行初步分析。

实验原理：

电影图片记录了人体运动的连续过程，将影片上人体主要各界点标记出来，按一定顺序连结各关节点，构成人体运动简图，可以直观展示出人体各环节的相对位置和主要关节的角度，是初步分析运动学特征的重要依据。

绘制人体运动简图记录表

片号

肩

肘

髋

膝

踝

趾

1左

右

2左

3左

4左

·

一组按照运动生物力学影像测量的要求拍摄的短跑或急行跳远的高速摄影放大照片，米尺坐、标纸。

1、按时间顺序给照片编号。

2、建立坐标系。

3、在各幅照片上依次标记各关节点的位置，按环节将关节点以直线连结，构成运动简图。

4、在坐标纸上建立坐标系，将前面绘制的各幅运动简图按适当比例移植在坐标纸上。

根据绘制的人体运动简图，描述人体运动的运动学特点。

实验六测定人体确定点运动速度随时间的变化

掌握利用电影图片测定人体运动瞬时速度的方法，了解短跑中瞬时速度假的特点。

点的平均速度V=S/∆T，当∆t→0时，limS/∆T=V，V为瞬时速度。

∆t→0

高速摄影的影片中，第k幅画面某点对应的瞬时速度为Vk=Xk＋1－Xk－1/∆t，即根据k幅画面的前一幅画面k－1幅和后一幅画面k＋1幅某点的坐标计算其位移，而时间间隔∆t则由摄影频率决定，设摄影频率为n，单位：

幅/S，时间间隔为：

∆t=1/n[k＋1－（k－1）]=2/n。

当摄影频率较高时，∆t→0，平均速度趋近于瞬时速度Vk→Vk。

一组按照运动生物力学影像测量的要求拍摄的短跑的高速摄影放大照片一套，米尺。

1、将放大照片按时间顺序编号。

2、在各幅照片上建立统一坐标系

3、在各幅照片上标记右髋关节点，并测量，记录其X坐标。

4、根据Vk=Xk＋1－Xk－1/∆t，计算各幅照片对应时刻的瞬时速度，式中∆t由摄影频率和影片间隔数确定。

即根据∆t=1/n[k＋1－（k－1）]=2/n来计算。

5、求出各幅影片对应时刻的瞬时速度（从Vk=Xk＋1－Xk－1/∆t求出的速度须换算成实际速度，因为点的坐标值是在照片上量出的，乘以照片的比例系数才是实际尺度，比例系数根据拍摄动作同时拍摄的比例尺换算，如1米长的比例尺，在照片上测量为10cm，则比例系数为10，根据Vk=Xk＋1－Xk－1/∆t得到的结果乘10），然后绘制出V-t曲线。

6、观察曲线并分析速度随时间变化规律

描述短跑中人体右髋关节的速度-时间曲线特征。

实验七测定人体重心运动速度随时间的变化

学习高速摄影照片测量人体重心速度的方法，进一步熟悉分析法测定人体重心方法。

测定速度的原理同实验六，当∆t→0时，平均速度趋近于瞬时速度。

同实验六。

1、同实验六。

2、同实验六。

3、求各幅照片上的人体重心，测量重心的X、Y坐标值。

4、测定速度同实验六。

注意根据照片测定的速度要乘比例系数，当然，如果速度已经经过换算，不乘比例系数。

5、同实验六。

6、观察曲线，分析速度随时间的变化情况。

描述短跑中人体重心速度随时间变化规律。

实验八测定短跑中人体关节角随时间的变化

学习使用电影图片测定人体主要关节角度的方法和绘制关节角－时间曲线的方法，并掌握关节角－时间曲线分析运动学特征的方法。

根据关节点的位置确定环节纵轴，相邻两环节的纵轴的夹角为关节角。

用量角器获得。

也可以通过计算3个关节点构成的三角债确定其数值。

各幅画面的时间关系由摄影频率确定。

在测定了关节角、时间的基础上可绘制关节角－时间曲线，该曲线对分析运动学特征具有重要价值。

一组按照运动生物力学影像测量的要求拍摄的短跑高速摄影放大照片，米尺、量角器，坐标纸。

3、标记各关节点，并将其连成单线图。

4、用量角器测量各幅照片上的相应关节角度（根据需要选择关节），按时间顺序详细记录下来。

5、根据记录的数据绘制关节角－时间曲线。

6、分析比较曲线。

描述关节角－时间曲线的特征。

实验九肌肉力学实验

培养学生将所学的力学、肌肉力学及人体整体动作原理，分析人体基本技术动作，提高分析解决问题的能力。

肌肉收缩的力学原理

牛顿第二定律ΣF=ma

5米皮软尺（10把、加松紧带）

1、现场实测四种不同纵跳方式的纵跳高度。

2、纵跳方式

由站立开始的加摆臂的自由纵跳

由站立开始，没有摆臂的纵跳

站立开始，下蹲后停留若干秒，加摆臂的纵跳

由半蹲开始，没有摆臂的纵跳。

3、每种方式各做三次（男女各三次），求平均值填表。

4、用一条松紧带将皮尺系在受试者的腰部，记录起跳前后的原始刻度H1，纵跳结束后，记录皮尺的刻度H2，H=H2－H1为受试者的实际纵跳高度。

将结果填表。

根据不同方式纵跳高度，运用肌肉力学及人体整体动作的理论对测试结果作出评价，确定技术模式。

写出实验分析报告。

实验十双脚原地纵跳的力学特征实验分析

第二章

学习测量人体运动的动力学特征的犯法，分析原地纵跳的力学特征。

为分析运动员在踏跳时与支撑点的相互作用所采用的专门测力系统。

测力系统由一维及三维测力台、放大器、记录仪或电脑组成。

测力台→放大器→记录仪

在纵跳时运动员身体重心腾起的最大高度，按竖直上抛公式计算：

H=1/2gt2

最大起跳速度用以下公式计算：

Vt=gt

公式中的t为人体离测力台达到最高点的时间。

实验设备包括一维或三维专用测力系统、体重秤。

1、介绍测力系统的构成及原理，接通系统，进入工作前状态。

2、测定受试者的体重

3、受试者在测力台上完成3种姿势的纵跳。

由半蹲开始，无反向运动不加摆臂的纵跳，

由站立开始不加摆臂的纵跳，

由站立开始的加摆臂的自由纵跳。

4、取下记录实验结果的绘图纸或3种纵跳的垂直力曲线。

标定横坐标单位长度的时间和纵坐标单位长度的力值。

5、在3种动作的垂直力曲线图上划分动作阶段，并将各动作阶段的延续时间和起跳垂直力峰值填入记录表。

纵跳实验记录表

测量结果

方式1

方式2

方式3

缓冲时间（t）

蹬伸时间（t）

腾空时间（t）

重心腾起最大高度H

起跳最大速度V

6、按公式H=1/2gt2、Vt=gt计算出3种纵跳腾起的最大高度和最大速度，其结果填入表内。

1、分析各种不同纵跳动作过程中垂直力曲线的变化规律，区分其差异及产生的原因。

2、分析各种不同纵跳动作过程中肌肉工作的情况。

注：

由于体育学院没有测力系统，该实验暂时不能进行。

实验十一技术图片上测定人体的稳定角

通过实验学习在技术图片上求解人体稳定角的方法。

根据稳定角的概念，在技术图片上测量出人体重心的位置和支撑面的边界点，就可以确定人体在不同方位上的稳定角。

技术图片、直尺、量角尺、大头针、坐标纸。

1、根据实验二的犯法求解图片中人体重心位置。

2、确定不同方位上的支撑面边界点。

3、在坐标纸上绘出人体单线图，标出人体重心位置。

4、由人体重心垂线连结重心和支撑面边界点的连线。

5、测量人体重心垂线与重心到支撑面边界点连线之间的夹角。

分析影响人体动作稳定性的因素。

实验十二转椅实验－动量矩守恒定律的验证

第六章

通过实验加深理解动量矩守恒的适用条件，了解角速度和转动惯量的关系。

动量矩守恒定律。

公式：

I0ω0=Itωt

茹可夫转椅

实验方法与步骤：

1、受试者坐在转椅上，手持哑铃两臂侧平举，由其他人帮助转椅获得初始转动速度，然后观察两臂收至胸前时角速度的变化及展开两臂时角速度的变化。

图9-3

2、受试者坐在转椅上，手持哑铃两臂同时向一侧摆动，观察人与转椅系统的运动状态变化情况。

提示：

本实验不考虑转轴摩擦力矩和空气阻力矩的作用，假定合外力矩为零。

描述实验现象并分析原因。

由于没有茹可夫转椅转椅，暂用其他方式替代。

实验十三用物理摆法测定人体转动惯量

通过实验学习测定人体转动惯量的实验方法，测量和分析人体在各种不同姿势下相对于通过身体质心轴的转动惯量。

物理摆是在重力作用下绕不通过质心的水平定轴摆动的刚体。

物理摆的摆动周期T同它的质量m、质心到悬轴的距离L以及相对于转动轴的转动惯量I有关，其关系式为：

T=2π

I/mgl。

利用物理摆（秋千）测定转动惯量。

根据T=2π

I/mgl，可以得到秋千的转动惯量公式：

I0=T02m0gL0

4π2

式中m0、L0分别是秋千的质量和秋千质心到转动轴的距离，T0是秋千的自由摆动周期，π=3.14g=9.81m/s2.

当人站到秋千上，“人—秋千”系统的质心到秋千转动轴的距离为：

L’=L0m0＋Lm

m0＋m

式中L’是系统质心到转动轴的距离。

L是所测定的姿势下人体质心到秋千转动轴之间的距离。

m是人体的质量。

因此，“人-秋千”系统的转动惯量，可以按下列公式计算：

I’=T’2（m0＋m）L’g

4π2

式中I’为“人-秋千”系统相对于秋千转动轴的转动惯量。

T’为人-秋千”系统的摆动周期。

人-秋千”系统的转动惯量撒秋千转动惯量同人体转动惯量之和：

I’=I0＋I

所以,人体相对于秋千转动轴的转动惯量为:

I=I’－I0

人体相对于通过自身质心且平行于秋千转轴的转动惯量Iwc可按平行轴定理计算:

Iwc=I－mL2

实验设备（instrument）:

实验设备是一个框架，为减少摩擦，用滚珠轴承悬于水平轴上。

框架下方固定一平板，供人站立。

此外，还有测量秋千转动角度的装置及秒表。

秋千的下述数据m0、L0和平板到转动轴的距离H已知。

1、将秋千推至偏离平衡100--150，使其自由摆动，测量10次全摆动的时间，算出每一次全摆的平均时间为秋千的摆动周期T0。

2、按式I0=T02m0gL0

计算秋千的转动惯量I0

3、测定受试者的质量m和所研究的姿势下身体质心到秋千转轴间的距离L。

4、按式L’=L0m0＋Lm

m0＋m

求出“人—秋千”系统质心到秋千转轴间的距离L’。

5、受试者根据所要测定姿势登上秋千平板。

重复步骤1，测定“人—秋千”系统的震动周期T’

6、按式I’=T’2（m0＋m）L’g

4π2

计算“人—秋千”系统相对于秋千转轴的转动惯量I’

7、按式I=I’－I0求出人体相对于秋千转轴的转动惯量I，并按式Iwc=I－mL2求出人体相对于通过自身质心且平行于