人体运动的动力学因素

力是物体对物体的作用，是使物体获得加速度或形变的原因，它等于物体的质量与加速度的乘积，即F=ma。力不能脱离物体而单独存在，两个不直接接触的物体之间也可能产生力的作用。人体在运动中的力，主要是人体与外界环境相互作用（自体位移）或人体与器械相互作用（他体位移），结果是使人体整体、局部环节或器械的运动状态发生改变（力的外效应）或发生形变（力的内效应）。力的三要素为力的大小、方向和作用点，力的合成与分解遵循平行四边形法则。

（一）人体内力

在研究动力学问题时，首先要确定研究对象，确定的研究对象称为力学系统。若将人体整体看成一个生物力学系统，则人体内部各部分相互作用的力称为人体内力。如肌肉张力、韧带张力、组织黏滞力、关节约束反作用力等都属于人体内力，其中肌肉张力是人体内力中的主要动力，肌肉张力（肌力）是人体唯一的、主动的和可控的力。

人体内力是人体力学系统内各部分之间的相互作用，虽然可引起人体力学系统内各部分之间的相对运动，但不能引起人体整体（以重心位置表示）运动状态的改变（图3-8）。就像人不能抓住自己的头发把自己提离地面，举重运动员力大无穷也无法自举其身。

图3-8　人体内力不能改变人体重心的运动状态

（二）人体外力

若将人体整体看成一个生物力学系统，则外界其他物体对人体的作用称为人体外力。使人体运动状态改变的原因，只能是其他物体对人体的作用即人体外力的作用。人体各环节之间发生相对运动，只能是环节以外的力（环节外力）对此环节作用的结果。如果人体失去其他物体对人体的作用，那么人既不能走，也不能跑，也就是说人不能改变人体整体空间的位置移动；人体自体位移如果没有肌肉张力主动对外界环境的作用，人体自体位移也将难以实现。

（三）人体内力与人体外力的相对性及其相互关系

1.人体内力和人体外力概念是相对的

如何确定某个力是人体外力还是人体内力，取决于研究对象。由于研究对象的不同，同一个力既可看成外力也可看成内力。肌力对于人体整体来说是内力，但肌力对于作用的人体环节来说是外力。如肱二头肌的肌力对上肢运动来说是外力，但对整个人体来说则是内力。把人体整体作为研究对象，肌力是人体内力，而在研究人体环节运动时，环节周围的肌力是此环节运动的外力。

2.支撑状态时人体内力可以改变人体外力

虽然人体内力不能直接引起人体整体的运动，但是可以通过人体局部环节的作用，改变人体对外界物体力的大小，外界物体则以大小相等、方向相反的力反作用于人体，从而使人体发生整体运动。例如，跑步蹬地动作，人体靠蹬地腿肌肉收缩力（人体内力）使下肢诸关节伸，通过摆动腿和手臂的加速摆动（人体内力），人体整体给地面以向后向下的作用力，同时地面以支撑反作用力（人体外力）作用于人体，使人体向前向上加速运动（图3-9）。人体内力和人体外力是相互联系的，人体内力是人体整体运动的必要条件，但是内力只有在支撑状态下才能形成作用于人体的各种外力，使人体产生整体运动。另外，人体在支撑状态下，可以通过人体内力的改变以减小人体外力对人体的作用，如各种落地缓冲动作。

图3-9　跑步蹬地动作的人体内力和人体外力

3.改变人体内力的主要手段是利用人体外力的作用

肌力（人体内力）是肌肉紧张或收缩时产生的力，肌力的大小除与肌肉的解剖生理特点有关外，还与中枢神经系统对肌肉的协调控制等有关，发展肌力时必须不断给予肌肉各种负荷刺激。在运动训练中常见的方法是阻力训练法，就是利用外界物体产生的阻力来训练肌力。

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（一）重力

人体重力是指地球对人体的引力，人体重力与人体质量成正比，作用点就是人体重心，方向竖直向下，指向地心。

人体每时每刻都受到重力的作用，但人体运动形式不同，重力对人体的运动所起的作用也不同。人体的运动方向与重力方向相同时，重力起动力作用；人体运动方向与重力方向相反时，重力起阻力作用。例如，斜坡跑训练（图3-10）中，重力两个分力一个为垂直指向斜坡，一个平行斜坡向下。上坡时平行斜坡向下的分力成为人体的阻力，人体利用此力训练下肢的力量和爆发力；下坡时此力又成为人体的动力，可以加快速率和肌肉收缩速度，提高步频。

图3-10　上坡跑和下坡跑

（二）弹力

弹力产生在直接接触而发生弹性形变的物体之间，方向总是与物体形变的方向相反，大小为F=k·Δx（其中，k是弹性系数或虎克系数，Δx是形变量）。弹力在运动中是普遍存在的，运动器械的选择，人体与运动器械的接触形式、接触时间、接触时机都会对人体运动产生重要影响。准确、适时地利用弹力可以帮助人体有效地完成动作；反之，会造成动作的失败。有时物体在接触过程中发生的形变肉眼观察不到，但弹力依然存在，这时可以认为弹力与支撑反作用力数值相等。

（三）摩擦力

摩擦力是两个相互接触的物体做相对运动（或有相对运动趋势）时产生的力，也是一种接触力。摩擦力的方向与物体相对运动（或相对运动趋势）的方向相反。摩擦力分为静摩擦力、滑动摩擦力、滚动摩擦力3种。

摩擦力在体育运动中是普遍存在的。人之所以能走、跑，靠的就是鞋底与地面之间的摩擦力，可以说没有摩擦力，人就会寸步难行。在摩擦力起动力作用的项目中，增大摩擦力以提高运动效果，如跑鞋上装钉子，在体操等项目中使用镁粉等。而在摩擦力起阻力作用的项目中，要减小摩擦力，如滑雪板、游泳衣表面提高光滑性。

（四）支撑反作用力

人体处于支撑状态时，力作用于支点（支撑面）上，支点（支撑面）又反作用于人体，这种反作用力称为支撑反作用力，它是一种约束反力，分为静力性支撑反作用力和动力性支撑反作用力。

当人体静止不动站立在地面时，重力使人体压向地面，地面给人体以反作用力，这种反作用力称为静力性支撑反作用力。静力性支撑反作用力R与人体所受重力G相等，人体保持平衡状态，R=G。

当人体处于支撑状态，人体局部环节做变速运动，其结果是给支点（支撑面）以作用力，支点（支撑面）给人体以反作用力，这种反作用力称为动力性支撑反作用力。局部环节加速度有3种情况：

①加速垂直离开支点。这时产生向上的加速度，支撑反作用力R大于人体所受重力G，增大的值与运动环节质量及加速度成正比，R-G=ma。如跳高起跳过程中摆动腿和摆动臂向上加速摆动，人体获得较大的支撑反作用力。减速垂直朝向支点的过程等同于加速垂直离开支点。

②加速垂直朝向支点。这时产生向下的加速度，支撑反作用力R小于人体所受重力G，减小的值与运动环节质量及加速度成正比，G-R=ma。如人体做下蹲动作时。减速垂直离开支点的过程等同于加速垂直朝向支点。

③加速斜向离开（朝向）支点。这时支撑反作用力R与支撑面有一定的角度，根据平行四边形法则计算出垂直方向上的加速度。