人体运动的运动学参数简析

人体运动千变万化,运动形式多种多样。人体的运动是指人体整体运动或人体局部环节的机械运动(也包括器械的机械运动)。人体运动的运动学与空间、时间紧密相连,空间和时间是运动的人体存在的根本条件。人体运动的运动学参数包括时间参数、空间参数和时空参数。

(一)时间参数

1.时刻

时刻是人体在空间某一位置的时间度量,时刻指某一瞬时,是时间坐标轴上的一个点。它用来表示运动的开始、结束及运动过程中关键技术的时相,该时刻是一个运动时相结束和下一时相的开始。如跳远起跳时各个位相(着板瞬间、最大缓冲、离地瞬间)的重心高度、躯干角、左右膝角、左右髋角、左右脚尖等技术数据。

2.持续时间

持续时间是运动的时间度量,指运动开始时刻与运动结束时刻间的间隔。运动持续时间是用来评价动作技术优劣的重要参数,如掷标枪最后用力时间、跳高的起跳时间及完成动作的时间节奏等。在田径的径赛项目中,完成规定距离的时间是评定运动能力的主要参数。

3.频率

频率是单位时间内完成周期性变化的次数,是描述周期运动频繁程度的量,是衡量动作技术的一项指标。频率跟每个动作的持续时间成反比,每个动作的持续时间越长,频率越低;每个动作的持续时间越短,频率越高。如在跑步、游泳等项目中,技术水平高的运动员动作频率要高于技术水平低的运动员。

(二)空间参数

1.路程

路程是指物体运动轨迹的实际路线长度,路程是标量,它只有大小而不表明运动的方向。例如,100 m比赛时运动员从起点到终点,所经过的路程是100 m;800 m比赛时运动员绕田径场跑道跑两圈,所经过的路程是800 m。

2.位移

位移表示物体(质点)位置的变化,是由初位置到末位置的有向线段。位移的大小与路径无关,方向由起点指向终点,是矢量,有大小和方向,运算遵循平行四边形法则。只有直线运动中的位移与路程(轨迹)重合,此时位移等于路程,而曲线运动中的位移与路程一般来说是不重合的,位移的数值一般小于路程。在田径比赛中,其中田赛项目的成绩是以位移的长度来计量的,如跳远的成绩、跳高的高度、投掷的远度等。在径赛中,运动的距离是按路程来计量的,如前例中100 m跑从起点到终点,位移等于路程的数值,都是100 m;800 m时,路程是800 m,而位移等于零。

3.角位移

角位移是描述物体转动时位置变化的物理量,转动的刚体上不同质点在同一时间间隔内线位移不同,但转过的角度是相同的。在描述转动时,一般采用物体转过的角度来描述,称为刚体转动的角位移,规定逆时针方向为正。角位移的单位为°(度)、rad(弧度),人体运动的描述中有时也用转动的周数表示。

人体的各种活动离不开身体的转动、扭转以及环节绕关节的转动。在人体运动技术的生物力学分析中,角度(角位移)是运用较多的一种参数。在学习角度(角位移)的概念时,要准确掌握描述人体运动的各种角度的定义或约定。如各关节角度是如何定义的;关节角的起始位置如何;什么是躯干角、肩髋角、抛出角、出手角、腾起角等。

(三)时空参数

1.速度与速率(www.xing528.com)

速度是描述物体运动快慢和运动方向的物理量,人体的位移与发生这个位移所用的时间之比,称为人体在这段时间内(或这段位移)的平均速度。速率是运动物体经过的路程和通过这一路程所用时间的比值。平均速率描述一段时间内物体运动的平均快慢程度。通常把速度的大小称为速率,但两者是有区别的:速度是位移与时间的比值,它描述的是物体运动的快慢,同时反映运动方向,是矢量,有大小有方向,其合成与分解遵循平行四边形法则;速率是路程与时间的比值,是标量,有大小没有方向,速率通常用绝对值表示;平均速率并不是“平均速度的绝对值”,不能为零,如果质点做曲线运动或做有往返的直线运动时,在一定时间内物体又回到出发点,则这段时间内的平均速度为零,平均速率却不为零。

为了精确描述物体运动的快慢,取很短的时间段Δt,如果Δt非常小(小到可以认为速度来不及发生变化),就可以认为(位移与时间之比)表示的是物体在时刻t的速度,这个速度就是瞬时速度。瞬时速度是矢量,是位移与时间之比,是有方向(物体运动的方向)的,瞬时速度的大小即速率,又称瞬时速率。体育运动中所提的“起跳速度”“出手速度”等都是瞬时速度,是跳跃、投掷等项目动作技术的重要参数。

2.角速度

人体在单位时间内所转过的角度即为角速度,是描述物体转动速度快慢的物理量,用ω表示,是矢量,单位是rad/s。角速度与线速度的关系为V=ω×r,转动方向由右手螺旋定则确定。

3.加速度

加速度是表示物体速度变化快慢的物理量。加速度是矢量,既有大小又有方向,大小等于速度变化量与发生这一变化所用时间的比值,方向与速度变化量的方向始终相同,合成与分解遵循平行四边形法则,常用单位是m/s2。

一般情况下,加速度是个瞬时概念。瞬时加速度是指人体运动在某一时刻或某一位置的加速度。运动实践中所说的加速度一般都是指瞬时加速度。在运动方向上速度增加,为正加速度(加速运动);减小则为负加速度(减速运动)。加速度与速度并没有必然联系,加速度很大时,速度可以很小;速度很大时,加速度也可以很小。

当物体的加速度大小和方向在同一直线上时,物体就做匀变速直线运动,即

当物体做曲线运动时,物体的加速度方向与速度方向不在同一直线上,会在力的方向上产生加速度,偏转向力的方向。这时把加速度a分解成沿法线方向的法向加速度an和沿切线方向的切向加速度at。

在圆周运动中,通常把法向加速度an称为向心加速度,大小等于该时刻速度的平方与圆半径的比值,即

4.角加速度

角加速度是描述物体转动运动快慢的物理量,是物体角速度的大小和方向对时间的变化率,用β来表示。转动物体从某一瞬时t开始的角速度变化Δω与相应时间间隔Δt的比值称为平均角加速度,即。当Δt→0,则这一比值称为瞬时角加速度;当作用在物体上的力矩是常数时,角加速度也是常数。人体几乎所有环节的运动都是绕着关节轴转动,通常采用角加速度来描述环节运动状态的变化情况。

5.绝对速度、相对速度和牵连速度

在研究人体与器械运动时需要选择参考系,参考系选择的不同,进行动作技术分析时参数会不同。研究体育运动的时候,把研究对象相对于惯性参考系的速度称为绝对速度;把研究对象相对于非惯性参考系的速度称为相对速度;把非惯性参考系相对于惯性参考系的速度称为牵连速度。三者的关系为:绝对速度=相对速度+牵连速度。例如,篮球行进间三步上篮(图3-7),篮球相对于地面的速度为绝对速度,篮球相对于跑动的人为相对速度,跑动中的人为牵连速度。

图3-7　篮球行进间三步上篮