人体平衡的运动生物力学分析-简明运动生物力学

人体平衡状态是指相对于惯性参照系静止或做匀速直线运动的状态。人体平衡的稳定性是指人体或物体抵抗各种干扰作用而保持平衡的能力，又称为稳定程度或稳定度。它包括两个方面：一是指人体静止时抵抗各种干扰的能力，称为静态稳定性；二是指人体重心偏离平衡位置后，干扰因素除去时，人体仍能恢复到初始平衡范围，称为动态稳定性。人体平衡是人体运动的一种特殊状态，分为静态平衡和动态平衡两种形式。

1.根据人体重心和支点的相对位置分类

根据人体重心和支点的相对位置，可将人体平衡分成以下3种：

①上支撑平衡：人体处于平衡状态，支点在人体重心上方平衡状态称为上支撑平衡，如体操中单杠悬垂动作。

②下支撑平衡：人体处于平衡状态，支点在人体重心下方平衡状态称为下支撑平衡，如站立、头手倒立等。

③混合支撑平衡：人体重心位于上、下两支点之间的平衡状态称为混合支撑平衡，它是一种多支撑点的平衡状态，如肋木侧身平衡。

2.根据平衡的稳定程度分类

根据平衡的稳定程度，可将人体平衡分成以下4种：

①稳定平衡：指物体在外力的作用下偏离平衡位置后，当外力撤销后，物体仍能恢复到原来的平衡状态。大多数上支撑平衡都属于稳定平衡，如单杠悬垂动作。原因是物体偏离平衡位置时，重心升高，重力矩使物体向平衡位置（此时重心比较低）移动。

②不稳定平衡：指物体在外力的作用下偏离平衡位置后，当外力撤销后，物体不仅不恢复到原来的平衡状态，而是更加偏离平衡位置。仅在下支撑平衡中出现，如单臂手倒立动作。原因是偏离平衡位置时，重心降低，重力矩使物体继续倾倒，直到物体的重心相对取得最低位置时才会静止不动，取得另外一种平衡状态。

③有限稳定平衡：指物体在外力的作用下，在一定限度范围内偏离平衡位置后，当外力撤销后，物体仍能恢复到原来的平衡状态，但是当偏离平衡位置超过一定限度时，物体将失去平衡，直到重新取得另一种平衡为止。原因是物体在一定限度范围内偏离平衡位置时，重心升高，重力矩使物体向平衡位置（此时重心比较低）移动，但超过某一定限度范围偏离平衡位置时，重心降低，重力矩使物体继续倾倒，直到物体的重心相对取得最低位置时才会静止不动，取得另外一种平衡状态。多在下支撑平衡中常见，如单脚平衡木跳跃、走跑道线、燕式平衡等。

④随遇稳定平衡：指物体在外力的作用下，当外力撤销时，物体既不回到原来的位置，也不继续偏离新位置，而是在新位置下重新建立平衡。原因是物体偏离原来的位置时，重心高度没有发生变化，没有重力矩使物体产生移动。这种平衡在体育运动中比较少见，前滚翻动作可以近似地看成随遇平衡。

人体运动中的平衡大多属于下支撑平衡，影响下支撑平衡稳定性的主要因素如下：

1.支撑面

支撑面包括支撑部位的接触面积及其最外侧边缘所包围的面积。支撑面越大，稳定性就越好；支撑面越小，稳定性就越差。例如，人体两脚开立比两脚并立姿势稳定，双脚站立比单脚站立稳定性好，手倒立要比肩肘倒立难度大，单手倒立难度更大（图4-1）。

图4-1　肩肘倒立、双手倒立、单手倒立

2.稳定角(www.xing528.com)

在支撑面大小不变的情况下，重心位置越低，稳定性越好；重心位置越高，稳定性越差。可用稳定角的概念来综合反映支撑面的大小、重心的高低及重力作用线这3个因素对稳定性的影响。稳定角是指重力作用线和重心至支撑面相应边缘连线间的夹角（图4-2）。稳定角越大，物体的稳定性越好；稳定角越小，物体的稳定性越差。稳定角能定量地说明在重力能够产生恢复力矩的倾倒范围，从而使物体恢复到原来的平衡位置上。物体倾斜角度大于稳定角时，重力产生的倾倒力矩使物体倾倒。对于人体来说，稳定角有无数个，在运动实践中通常根据动作的需要选取不同的稳定角。如在蹲距式起跑的出发姿势中尽量使身体前移，以使重力作用线接近支撑面的前缘，目的就是减小向前方向的稳定角，有利于听到枪声时迅速打破向前方向的平衡而快速起跑和出发。在摔跤、武术等项目中加大在对抗方向的稳定角，提高对抗方向的稳定性，并巧妙地运用粘走，转化对方的来劲，破坏对方的平衡，达到“四两拨千斤”的目的。

图4-2　人体不同姿势各个方向的稳定角

3.稳定系数

稳定系数是稳定力矩与翻倒力矩的比值，表示物体依靠重力矩抵抗各种外力作用而保持平衡的能力。稳定系数大于1，物体能抵抗翻倒力矩，平衡不被破坏；稳定系数小于1，物体不能抵抗翻倒力矩，平衡会遭到破坏，即物体会翻倒。

平衡与稳定性是两个不同的概念，人体平衡是人体在外力作用下的身体姿态，稳定性是保持人体某种姿态或运动状态的能力。人体的平衡通常在某一方向上稳定性较大，而在另一方向上稳定性较小。如头手倒立，人体前后方向的稳定性小，而左右方向的稳定性相对要大些。人体的稳定性具有方向性。

人体是复杂的生物力学系统，前面所讲的稳定角、稳度系数等指标仅适用于刚体，在考虑平衡及评价稳定性时需要考虑人体的生物学特点。

1.人体不能绝对静止

由于人体的呼吸、血液循环等造成人体重心的位置不是定点，而是在一定范围内波动，肌肉的张力也不可能在每一时刻都是定值，尤其是长时间维持平衡状态，肌肉出现疲劳，稳定性更差。因此，人体的姿势不可能绝对静止。射击和射箭运动员，瞄准后要求屏气发射，也是为了减少呼吸运动造成的重心波动。

2.人体有效支撑面小于支撑面

人体支撑面边缘均为软组织，人体的有效支撑面小于“理论”支撑面的面积，当重力作用线还未超过支撑面边缘时，人体就会提前翻倒，即翻倒线永远位于支撑面边缘线之内。

3.人体具有一定的调节自身平衡的能力

人体与刚体的不同之处在于形状可以发生变化，人体有翻倒趋势时，会通过人脑的调节系统反射性地改变身体姿势，可以保持原有平衡：一是身体总重心向翻倒方向的相反方向移动（称为补偿动作或补偿运动），如右手提重物时身体自然向左倾斜以保持平衡。二是在翻倒发生时，通过肢体的移动建立新的支撑面来重新建立平衡，运动中的平衡控制大部分属于这种情况。如体操运动员落地时机没掌握好，一旦失去平衡，则迅速向前（或向后）跨出一步，建立新的平衡，稳定后再并腿确定新的支撑面建立新的平衡来完成整个落地动作。

4.起重要作用的人体内力消耗肌肉的生理能

人体内力虽然不能改变人体整体的运动状态，但内力可以通过对外界环境的主动作用，使人体受到外界环境的反作用，从而影响人体的平衡。人体可以通过增大或减小内力，特别是肌肉的用力大小，从而改变作用于人体的力或力矩来影响人体的稳定性。这个过程虽然不产生位移，但肌肉必然要消耗一定的生理能来维持人体的平衡姿势。或长时间保持平衡，能量消耗增多，肌肉出现疲劳也会使人体控制平衡的能力降低。

5.人体平衡受心理作用的影响

在运动过程中，外界环境的变化和人体内环境的变化都会对人体神经系统产生影响，表现为心理因素的变化。紧张的心理会影响视觉在平衡调节中的作用，会影响大脑及神经中枢对肌肉收缩能力的调节，从而影响人体的平衡状态。在地上画一个与平衡木同样宽度的印迹，我们可能会平衡走过去，但在平衡木上，就很有可能会失去平衡。