人体运动生物力学研究
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人体运动生物力学研究范文第1篇
关键词：乒乓球；运动生物力学；研究方法；研究领域
中图分类号：G804.6文献标识码：B文章编号：1007-3612(2007)10-1381-03
随着现代科技水平的不断提高，运动生物力学研究手段与方法也不断地更新，研究内容和层次不断深入、系统，运动生物力学的研究方法在许多运动项目中有了广泛的应用，对于认识运动项目技术的规律和提高运动技术水平，起到了重要的作用。
对于运动生物力学的原理和方法在乒乓球运动项目中的应用，国内外已进行了许多研究，但已有的研究不够系统和深入，所用的运动生物力学研究方法比较单一，乒乓球专项化的运动生物力学仪器很少，对于乒乓球与球台或球拍碰撞的原理、乒乓球飞行的运动状态、乒乓球动作技术原理等有些方面揭示得还不够全面或尚未揭示，对于运动器材、服装的研究很少。
近年来，国际乒联对乒乓球竞赛规则的三大改革，以及现代世界乒乓球技术的迅猛发展，都要求我们要借助于科技的力量和手段，更加全面地、深刻地认识乒乓球运动的规律，不断地更新观念，技术上不断创新进步，训练方法上要更加科学合理，以促进乒乓球运动的发展。本文根据乒乓球运动专项运动生物力学研究的现状、运动生物力学学科发展趋势、以及乒乓球运动发展的实际需求，对运动生物力学在乒乓球运动中应用的研究领域和研究方法的发展趋势进行展望，以期对乒乓球运动规律有更加深刻而全面的认识，为运动生物力学如何更好地结合乒乓球专项特点为乒乓球运动实践服务提供借鉴。
1运动生物力学在乒乓球运动中应用的研究领域的展望
从运动生物力学角度来看，乒乓球运动是通过乒乓球和球拍位置的变化（平动和转动）与运动员机体的活动相结合的一项运动。运动员的击球动作使球拍和球碰撞后，击出的球以一定的动量、动量矩落到对方台面，与台面发生碰撞，反弹后再与对方的球拍相碰撞。归纳起来，乒乓球项目中的运动包括：运动员的运动（动作技术）、乒乓球在空中的运动（速度、旋转、弧线）、乒乓球的碰撞运动（乒乓球与球台或球拍碰撞）。对乒乓球这三个方面的运动生物力学研究分析需要一定的设备仪器与方法。与乒乓球运动相关联的还有球、球台、球拍等器材以及运动员的服装。
以往对乒乓球运动的运动生物力学研究在上述方面已进行过一定的研究，但对于乒乓球与球台或球拍碰撞的原理、乒乓球飞行的运动状态、乒乓球动作技术原理等有些方面尚未揭示，或揭示得还不够全面，对于运动器材、服装的研究很少。根据运动生物力学和乒乓球运动的发展趋势，运动生物力学在乒乓球运动中应用的研究领域，可以预计运动技术研究仍将会占较大比例，同时，在全民健身、运动医学、康复医学、运动器材、服装及实验仪器设备等方面也会开展研制。具体可以开展以下几个方面的研究：
1） 动作技术诊断；
2） 乒乓球与球拍碰撞、与球台碰撞的研究；
3） 对乒乓球拍运动的研究；
4） 乒乓球拍、乒乓球运动鞋的研制与优化；
5） 乒乓球运动员肌肉、骨骼力学特性的研究；
6） 乒乓球专项测试仪器的开发；
7） 乒乓球运动员损伤机理和预防的研究。
2运动生物力学研究方法在乒乓球运动中的应用与展望
按研究方法划分，运动生物力学应用在乒乓球运动中的研究大体可分为两类: 一是力学理论研究方法，二是实验研究方法。两者应当紧密结合，才能使运动生物力学更好地在运动实践中应用。
2.1运动生物力学的力学理论研究方法在乒乓球运动项目中的应用与展望该研究方法因为是通过模拟手段对人体运动仿真，一般包括5个步骤：1) 确定运动恃征，建立目标函数；2) 选择模型确定刚体的自由度；3) 建立动力学模型（拉氏方法、Kane方法、雅各宾法等）；4) 实测已知数据并求解；5) 根据求解结果解释运动规律，这一步骤是将求得的数学规律化为体育运动语言对运动技术进行合理的指导。
纵观运动生物力学在乒乓球运动中应用的现状，可以看到，以往用的最多的是运用力学原理对一些现象进行解释。而利用力学理论研究的方法却很少。根据此研究方法，可以对乒乓球中许多问题进行研究。
如对于乒乓球运动员的伤病的研究，至今还没有在击球过程中对腕、肘、肩关节、颈椎、腰椎等的关节力和力矩的定量分析，而对其认识有助于对乒乓球运动员运动损伤的认识和预防。可以利用力学理论研究的方法对关节力和力矩进行推算。以计算上肢各关节的关节力和力矩为例。首先确定乒乓球运动员击球过程中上肢的运动特征。二、建立上肢模型，整个上肢可分为上臂、前臂和手（包括器械）三个部分，根据上肢实际的生理结构和以往生物力学建模的经验，可将人体上肢简化为3刚体7自由度的物理模型。三、运用多刚体系统动力学理论中的Kane方法，建立系统运动学和动力学方程，四、通过摄像的方法获取上肢的运动学参数以及郑秀媛公布的人体环节参数，求出腕、肘、肩关节的关节力和力矩。五、根据关节力和力矩对乒乓球运动员的伤病进行认识。
2.2运动生物力学的实验研究方法在乒乓球运动中的应用和展望运动生物力的实验研究方法在乒乓球运动项目中应用现状是，动力学研究几乎没有，运动学测试也不多，所运用到的生物力学仪器很少。所以实验研究方法在乒乓球运动项目中有极大的发展空间。
2.2.1常用的生物力学仪器将在乒乓球项目中的广泛应用许多已经在其他专项中运用较为广泛的生物力学仪器在乒乓球运动项目中尚未广泛使用。比如，三维测力台，肌电仪，足底压力鞋垫。
三维测力台可以反映地面对人体的反作用力。运动员击球的力最终是通过人体蹬地面，同时地面给人体的反作用力而实现的。而对乒乓球运动员地面反作用力的动力学特征的描述至今尚无。
通过在运动员的鞋子里放上压力鞋垫，可以得出在移动过程中，脚底压力的分布图，可以为乒乓球运动员鞋子的设计提供参数。
通过肌电仪可对完成某动作所参与的肌肉活动的强度和时间进行描述，确定主要的参与肌群。用在乒乓球运动员身上，就可以很清楚的知道完成某动作的肌肉用力顺序是什么，哪些是主动肌，哪些是被动肌，可为力量训练提供参考。
2.2.2开发乒乓球专项化、反馈快速化的运动技术测试仪器这是运动生物力学测试仪器的发展趋势，至今为止，在乒乓球界中尚无有此类测试仪器的研发成功。近年来其他运动项目共用运动学、动力学及生物学指标，测试仪器的质量、功能、效率不断提高，同时，某些运动项目专用的测试仪器不断出现。例如，体操项目单杠、双杠、高低杠、跳马、吊环的测力系统、赛艇多参数遥测分析系统、起跑蹬力测试系统、蹬冰力测试系统、游泳出发测力系统等。
其他专项的研究可为乒乓球专项化的测试仪器提供借鉴，比如考虑是否可以在乒乓球拍上安装加速度传感仪。随着科学技术的迅速发展，加速度传感器体积和质量都可以做到非常小，精度可以达到很高，此仪器可以实时监控球拍三个方向上的速度、加速度和角速度，并可据此推算球拍的受力情况，以及击打乒乓球后，球体获得的初速度。而对乒乓球拍的运动情况的所做的研究非常之少。
如果这些设想可以实现的话，将丰富乒乓球理论知识，对乒乓球运动的实践将会有快捷的帮助。
2.2.3多机同步测试的研究多机同步测试研究是运动生物力学研究的发展趋势。人体运动十分复杂，因此，多机同步测试方法对各项运动技术研究十分重要。由于多机同步测试研究需要的仪器多、经费多、时间长、技术人员多，而且多数动力学指标和生物学指标的测试在正式大赛中很难进行，所以，多机同步研究的报道较少。随着科学技术的进步和对运动技术研究的深入，多机同步测试研究将会得到较快发展。
对于乒乓球这项精密的运动，以往的研究多是从一维的视角来进行的，对乒乓球运动的生物力学的研究应朝着多维的研究视角发展。比如，将摄像系统和测力台系统同步的测试方法，综合运动学和动力学的数据对乒乓球运动进行更加深入、全面的认识。
2.2.4生物反馈技术将在乒乓球运动技术训练中应用运动生物力学测试中提供给运动员、教练员的技术动作的速度、幅度、方向、力量等指标数据，运动员在训练中很难掌握，如将测试的数据转换成声、光信号直接提示给运动员，表示其当前的动作是否达到了要求或某个范围，运动员接收到声、光信号后，便马上做出反应，调整动作的幅度、强度、速度等就容易得多。这方面研究在其他专项中已经取得了一定进展，例如北京体育大学金季春教授指导其博士生闫松华所研制的用于短跑训练的“测试鞋”，对每一步的着地时间和腾空时间进行实时监控，正朝着生物反馈的方向发展。
生物反馈技术在乒乓球运动技术训练中的应用也是乒乓球运动项目生物力学发展的趋势。
2.3将力学理论研究方法和实验研究方法紧密结合是运动生物力学在乒乓球运动中应用的研究方法的发展趋势力学理论研究方法的基础是经典力学理论，并应用它解释分析生物体运动及探索其运动规律。力学理论研究方法优点是能使研究工作更加严谨和深人，但由于模拟研究目标和对运动数学化描述的困难，这类研究难度很大，且研究结果与运动实践尚有一定的距离。所以力学理论研究方法必须辅之实验和经验，才能使它在实际应用方面的作用得以发挥，力学理论方法与实验测试方法两者应当紧密结合。前者提供了运动普遍规律，对分析有理论指导意义，后者是理论研究与实际应用的桥梁，能使研究更好地为运动实际服务。实验研究方法，通过各种实验手段，测试记录体育运动过程，并以此作为依据，结合经验，对运动技术进行分析对比，从而提出改进技术的意见和建议。这种研究方式是以具体运动员的具体动作作为研究对象。
实验通常用高速摄影、录像、测力台测得运动学和外力参数，用肌电测试仪测得人体内力参数，然后通过数据处理和分析，来诊断运动技术的优劣及动作的合理性。这种方法以实验手段为主，与运动实践联系紧密，能对运动员的技术训练直接施加影响。但由于该方法研究和实验的对象是具有个体特征的人，不可避免地造成对共性的运动规律研究的困难，从而使研究结论难以达到理论升华。因此实验方法必须和力学理论研究共同发展、相辅相成，才能使运动生物力学学科渐趋深入完善。
用理论力学理论研究方法和实验研究的方法对乒乓球运动进行运动生物力学的研究，将提供认识乒乓球运动规律的多维视角，会对乒乓球运动规律有更加深刻而全面的认识，进而可使运动生物力学更好地为乒乓球实践服务。是运动生物力学在乒乓球运动中应用的发展趋势。
3总结
根据乒乓球运动专项运动生物力学研究的现状、运动生物力学学科发展趋势、以及乒乓球运动发展的实际需求，运用多种运动生物力学的理论力学和实验研究相结合的方法，对乒乓球运动中的多个领域进行分析和研究，是运动生物力学在乒乓球运动项目中的研究发展趋势。
参考文献：
［1］ 国家体育总局《乒乓长盛考》研究课题组.乒乓长盛的训练学探索［M］.北京：北京体育出版社：2002.
［2］ 刘卉.上肢鞭打动作技术原理的生物力学研究［D］.北京体育院大学博士论文，2002.
［3］ 王向东，刘学贞，等.运动生物力学方法学研究现状及发展趋势［J］.中国体育科技，2003 (2)：15-18.
［4］ 忻鼎亮.运动生物力学的力学理论研究方法［J］.体育科学.1994（4）：37-40.
人体运动生物力学研究范文第2篇
关键词：排球扣球技术；运动生物力学
1.上步扣球起跳技术的生物力学分析
张清华，华立君，陈刚利用三维录像法对男子排球运动员四号位上步扣球起跳技术进行生物力学分析。结果表明：上步扣球起跳动作可分为缓冲、等长制动和蹬伸三个阶段，各阶段时间占总起跳时间的比重是影响扣球起跳效果的关键因素；缓冲阶段人体重心的水平速度损失，蹬伸阶段的垂直位移是影响重心腾起高度的重要因素；在蹬伸时表现出以大关节带动小关节，髋、膝、踝三关节依次加速蹬伸的特点。通过对得出的生物力学参数可以得出以下结论：（1）排球运动员上步扣球起跳动作起跳缓冲时间与起跳高度成高度负相关，说明缓冲时间以较短为宜，但并非越短越好，各阶段时间占总起跳时间的比重是影响起跳效果的关键。（2）在扣球起跳时缓冲阶段人体重心的水平速度损失，蹬伸阶段的垂直位移是影响人体重心的垂直腾起速度和重心腾起高度的重要因素。（3）扣球起跳阶段运动员膝关节在缓冲阶段，有意识的主动完成下沉动作，造成缓冲幅度过大，对动作完成的效果会有一定的影响，在蹬伸时表现出以大关节带动小关节，髋、膝、踝三关节依次加速蹬伸的特点。
2.排球扣球技术中滞空动作的运动生物力学分析
经过大量的研究证明，在排球扣球起跳中，优秀的排球运动员都会有滞空的现象。王斌，何智美对排球运动中滞空技术的研究也进行了详细的论述，他们用美国造的LOCAM、16mm高速摄影机，以每秒100格的拍摄频率进行拍摄。在正式拍摄前，预先让受试队员学习掌握三个技术动作，第一个动作，按四号位助跑起跳扣球动作，助跑起跳后，当跳至或接近最高点时，收腿使小腿与水平线基本平行，在身体下落前放小腿；第二个动作，不摆臂起跳，跳起后直腿；第三个动作，摆臂起跳，跳起后直腿。正式拍摄时，拍摄了三个动作，三个动作均在四号位按强攻的助跑动作助跑、采用二步、斜线助跑，双脚起跳。通过对这三个动作的研究，可以发现，只有第一个动作才能产生滞空现象，说明产生滞空的原因与起跳后的姿势有关。通过进一步对数据分析还可以得出，并非跳得越高，就越容易产生滞空，关键是跳在空中，要配合手臂、膝关节的收展，才具备了产生滞空的条件。滞空现象的出现，增加了空中的时间，能够更好的完成挥臂下压的动作，增加扣球的威力。正确认识滞空，首先必须弄清楚腾空并不等于滞空，运动员的腾空时间长短并不能说明他的滞空情况。跳得高，腾空时间长的运动员不等于就有滞空能力。而实际上有的运动员弹跳较高，但空中动作不协调，滞空技术欠佳，仍无滞空表现。弹跳高，腾空时间长只是创造了良好的滞空条件，而要具备滞空能力，必须掌握滞空技术。
3.排球扣球技术中起跳后空中姿态的生物力学研究
运用生物力学的方法对排球4号位强攻扣球技术的研究中发现，空中击球的身体姿态存在两种不同类型，根据其空中背弓与向前折体挥臂击球的姿态，将其分别称为尖括号“
4.排球扣球技术挥臂动作的生物力学研究
通过文献查阅可知排球扣球技术挥臂动作的正确与否直接影响强攻效果。使用两台高速摄像机和表面肌电仪对7名青年男子年排球运动员强攻扣球手臂挥/摆动作进行运动学和表面肌电学同步分析；结果：运动员在引臂后拉期主要由三角肌前束和三角肌后束完成，在甩肴击打期和击打作用期，肱三头肌、背阔肌、前臂屈腕的这些主动肌的电活动明显增强，起拮杭作用的肱二头肌和前臂伸腕肌群的电活动也非常强烈，而且，在各个阶段每对主动肌/拮抗肌表现为较好的协调性；背弓角为1302°±47°、挥臂角为1132°±61°。最后出手球速为235±07m/s；背弓角，挥臂角与最后出手球速的相关系数r分别为-0512（p
5.结论与建议
5.1结论
5.1.1排球扣球技术的起跳技术在整个扣球技术里面起着举足轻重的作用。
5.1.2滞空动作与起跳后的姿势有关。
5.1.3合理的空中姿态的形成与好的助跑与起跳技术密切相关，可以影响加速和攻球威力。
5.1.4排球扣球技术挥臂动作的正确与否直接影响强攻效果。
5.2建议
5.2.1上步扣球起跳时膝盖要缓冲，大关节带动小关节，髋、膝、踝三关节依次加速蹬伸，要加强下肢专项力量。
5.2.2助跑起跳后，当跳至或接近最高点时，收腿使小腿与水平线基本平行，在身体下落前放小腿，掌握滞空技术
5.2.3提高强攻威力应加强妓的柔韧性与背伸肌、腰腹肌及伸展魏关节肌群力量的训练，同时，在技术训练中.应从助跑、蹬地、起跳形成初始负舰角抓起，强调蹬地时依次充分伸展髓、膝、躁三大关节，空中背弓与收腹动作要依靠大肌群连贯、协调用力，改变“[”型空中姿态，以产生“
参考文献
[1]袁之平.对排球强攻击球速度的生物力学分析 [J].浙江林学院报.1991（3）
[2]王 斌，何智美.运动生物力学・对排球运动中滞空技术的生物力学探讨[J]. 四川体育科学.1998（81）
[3]唐金根， 邓己媛.力学原理引导排球扣球技术教学的实验研究[A].山西师大体育学院学报.2009（3）
[4]谢 诚.论运动生物力学在排球函授教学中的运用[A]. 湖北大学成人教育学院学报.2001（19）
[5]陈 珂， 倪 伟，徐光荣.排球单脚跳发弧旋球技术及生物力学分析[A].陕西师范大学学报.2006（3）
人体运动生物力学研究范文第3篇
关键词：网球发球；生物力学；文献综述
动作构成技术，因此动作是我们研究的重点。而用生物力学的知识和方法去研究网球的发球特征，研究方法和研究内容无疑是最重要的一环，而研究方法又离不开研究设备，可以说目前研究设备也从一定程度上直接影响了这篇论文成果的好坏。关于发球生物力学的研究有人做过专门的统计。蒋婷在她的《国内网球生物力研究现状及发展―基于2007-2011年4种文献来源计量分析》中指出2007-2011年，核心期刊、优秀硕士论文、博士论文、重要会议各自研究网球技术生物力学所占的比例分别为12.9%、51.6%、3.2%、32.2%，其中优秀硕士论文研究网球生物力学的最多，占51.6%。此外，5年中，核心期刊发表的关于网球生物力学的论文仅4篇，充分说明这类研究并没有成为热点。根据文献论文内容的主要特征，结合生物力学及网球项目相关理论，可以将检索到的论文分别归入3个不同的研究方向，即技术分析（运动学、用力学、生物学）、损伤（骨、肌肉）、装备（鞋、拍弦）。从本次统计来看，技术分析独占鳌头，共计23篇，占74.2%；其他方面的研究相对较少，损伤12.9%（4篇），装备12.9%（4篇）。技术动作分析受到更多的关注，主要是因为技术分析的设备日益进步和完善，生物力学研究受仪器设备的制约。这篇文章很全面的介绍了目前国内一些比较有价值的论文的分布情况及总体研究情况，让我们对整个研究水平有了初步的印象。
马大慧在《运动生物力学在网球运动中的应用分析》中给我们提出了一些比较好的运动生物力学与网球运动的结合点，我们可以从运动生物力学的力学理论研究方法，实验研究方法，力学理论研究方法和实验研究方法紧密结合等方法去研究网球的特征，当然这些方法也可以用到发球的研究中去，使我们的方法更具有科学性和方向性。下面从研究方法和内容方面入手对所查阅到的文献进行简单阐述。
刘卉（2000）以6名国青网球运动员和2名北京队青年网球运动员的大力发球为研究对象。采用美国Peak三维高速录像系统进行拍摄，拍摄频率为120帧/s。采用爱捷人体信息研究所的录像分析系统对发球动作技术的运动学数据进行测量与分析。依据对录像带的观察及发球实验时的现场评价，对每个运动员三个好球中质量最好的一次进行解析。所得数字化数据采用数字滤波法进行平滑处理。她的研究揭示网球大力发球属鞭打类动作的特征并论证和全面阐述了网球大力发球技术的运动生物力学原理。同时通过对运动员发球技术的对比，得出抛球的方向、高度和身体下蹲的深度均会对整个发球动作技术起重要影响；通过对下肢运动的观察，提出影响“搔背”动作阶段的因素主要是下肢蹬伸、躯干扭转、屈肘和上臂外旋的幅度、速度及它们之间的配合，同时还认为“搔背”动作时身体各环节活动的同步性是高质量合理动作的特征；提出击球动作并非挥拍动作的自然过渡和延伸，而是有其本身技术特征的相对独立的动作技术；她还通过对身体各环节最大速度出现时间的比较，认为可将鞭打动作的基本理论作为网球发球动作技术的理论基础。这篇文章在国内具有比较高的地位，无论是研究对象还是研究方法对后来的研究者提供了很好的参考，同时所得出的结论对我们平时训练也很有参考意义。
刘保华（2008）以2007年9月在北京举办的中国网球公开赛中5名优秀女子网球单打运动员为研究对象。采用两台100HZ的摄像机在比赛现场进行拍摄，对我国顶尖女子网球运动员彭帅与4名世界顶尖女子网球运动员发球技术的速度特征进行了生物力学分析。研究结果表明在第一发球速度上，4位世界优秀运动员明显高于彭帅。4位世界优秀女子网球运动员在球拍速度、右手速度、右手腕速度、右肩速度、右肘速度右髓与身体重心的速度这7个参数因子载荷值的贡献排序运用较为合理，而彭帅则不够合理，表现在球拍的因子载荷值明显低于右手与右手腕。这篇文章从科学的角度分析了彭帅发球当中所存在的问题，可以据此对她做出指导
林建健（2009）选取2名职业网球运动员，4名专业网球运动员和6名业余网球运动员为测试对象利用，Qualisys红外远射测试系统（六个镜头）对运动员发球动作过程进行测试。拍摄频率为200幅/秒。同时用Kistle测力台系统与Qualisys同步，采集运动员的动力学数据。结果显示：在抛球过程中我国高水平运动员抛球臂关节角度变化幅度和屈膝最大角度均小于低水平运动员。在蹬伸过程中，我国高水平运动员膝关节最大角度和腿部发力效率均大于低水平运动员，膝关节最大角度和最小肘关节角度均小于国外优秀运动员。在击球过程中，我过高水平运动员身体各环节最大角度速度和击球高度与身高比均大于低水平运动员，且具有显著性差异。对比国内的高水平和低水平选手特征，可以使低水平的选手找到自己的问题所在，从而有目的改进。
蒋川（2009）年以我国优秀网球运动员杨意民、国际著名选手阿加西和张德培为研究对象。利用两个PULNIX摄像头（频率为120Hz）采用定点、定焦、定距的方式进行外同步拍摄方式，对杨意民大力发球动作进行拍摄。采用美国ARIEL三维图像解析系统对杨意民、阿加西和张德培的技术动作进行解析。阿加西和张德培的发球技术动作录像由美国ARIEL公司提供，拍摄频率为50HZ。结果发现：杨意民发球时身体主要环节的用力顺序符合鞭打动作规律，且击球点的高度较为合理。但是其抛球技术还有待改进，其抛球最高点与击球点之间的落差较两位世界级运动员的偏大，即杨意民在抛球环节存在抛球过高的问题。杨意民的挥拍臂形成有效的用力前，“搔背”姿势所需时间明显过长，且拍头最低点高于身体重心高度，反映出杨意民的“搔背”动作不够充分。杨意民的挥拍速度以及拍头速度较阿加西、张德培存在较大差距，尤其是在击一球瞬间，阿加西的拍头速度是杨意民的1.69倍，而张德培的拍头速度更是达到杨意民的1.71倍之多。杨意民下肢蹬伸充分，但在脚蹬离地面时身体重心上升的速度和击球时身体重心的高度跟世界顶级选手相比仍有一定差距。
孙宇亮（2011）以2009年底在江门网球训练基地冬训的8名国家网球队女队员为研究对象。研究对象站右发球区，大力发球。利用两个ZOOHz的高速摄像头对运动员进行同步拍摄。利用直接线性转换（DLT）算法对二维图像进行三维重构。数据处理采用北京体育大学视迅解析系统对运动学指标进行解析，应用Qtools、EXCel等数据处理软件进行计算。根据国家网球队教练的评价，每名运动员取三个好球中质量最好的一次进行解析。所得数字化数据采用数字滤波法进行平滑处理。得出结论有：我国网球运动员发球时抛球较高，建议降低抛球高度。相对于FB技术，FU技术能使运动员获得更大幅度的躯干扭转角度。根据运动员实际情况选择合适的缓冲技术。缓冲结束时刻，部分运动员存在过度顶髓的现象。这造成下肢发力不充分，最终导致球速下降。建议在此时刻保证重心投影位于在两腿之间。“搔背”动作是典型的超越器械动作，下肢的充分蹬伸是此动作完成质量的保证。因此运动员在平时的训练中应注意下肢的爆发力训练。这篇文章的研究方法和结论都有具体意义，值得国家队的女队员进行参考。
BrianJ.Gordon（2006）通过三维录像解析法对9名优秀的网球运动员进行了测试。他们在上臂和前臂套上了带有标志球的环，在肩关节周围皮肤上贴了标志球。由于计算关节和环节的扭转角度。结果详细阐明了发球过程中人体各部分的扭转情况，指出在临近击球时刻，肩关节屈伸运动和内收外展运动对于拍头速度的贡献微不足道。这篇文章的研究结果使得我们平时的一些错误观念得到了重新的认识。
综合研究的情况来看，国外学者利用运动生物力学手段对网球发球动作技术做了大量研究，并且阐明了一些发球动作的客观规律。对现今存在的各种各样的技术动作提供了科学理论上的支持，对学习和改进发球技术做了有益的探索和贡献。有的从肌肉发力顺序方面探讨，有的从核心部位探讨，也有的从动作模式探讨，还有从肌电方面入手等等，可以说已经取得了一定的成绩，而且随着研究设备的技术提高，研究的水平也在提高，但是大多数的研究还是将中国的运动员数据直接和外国运动员的数据直接进行对比，我觉得这存在一定的问题，且不论身高的不同，中国运动员的肌纤维类型与他们也会有不同等等，或者是否可以将他们的数据可以和现在排名较高的亚洲球手进行对比，比如，现世界排名17的日本球员锦织圭等等。再者，我觉得在发球最佳模式的研究方面还有所欠缺，看我们是否能找到一个最适合我们的发球模型。让大家在练习的时候心里有具体的数据可依。作为研究来讲，我们最好是能把各个方面的情况考虑清楚最好，或者就某一方面作最细致的研究。随着未来各种仪器设备的更新提高，研究水平也会越来越深，可以说，生物力学在网球领域的研究还有很大的空间。（作者单位：北京体育大学）
参考文献：
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[3] 刘卉.网球大力发球技术的运动生物力学原理[J]北京体育大学学报，2000，（02）.
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人体运动生物力学研究范文第4篇
在学术上，运动鞋研究近年来成为一种重要课题和热门话题，但这种研究往往是基于运动鞋之于体育运动的重要作用，从人体功效学和运动生物力学等方面进行实验和探讨，这些研究成果虽然在一定意义上影响和推动了体育运动实践，但不足以反映出运动鞋的文化价值。因为这些研究成果无法帮助我们去全面解读和诠释当下的种种现象和趋势：其一，运动鞋成为一种时尚。从时尚界看，它们通过跨界合作设计时尚潮流运动鞋，如时尚品牌“Y-3”由日本设计大师Yohji Yamamoto与阿迪达斯合作创立，New Balance融入中国京剧脸谱元素设计生产了京剧脸谱限定跑鞋等；在各类秀场上，材质独特、款式新颖的不同运动鞋开始跃入人们的视野，它不仅引领着一种时尚潮流，而且预示着人们审美和理念的变化以及一种文化变革。从社会生活看，人们借助运动鞋的造型、品牌及内涵去修饰装扮自己、展示自己，从中获得一种审美愉悦和象征性的精神满足。其二，运动鞋成为一种日常生活消费。随着经济社会的快速发展、竞技体育的广泛影响以及人们健康意识、消费理念的变化，人们对于运动鞋的消费不仅仅限于休闲、健身、娱乐，而且关注和追求运动鞋所表达的一种生活方式和个性化需求。其三，运动鞋成为体育收藏界的“宠儿”。时下在体育博物馆以及举办诸如展览会、交易会和展销会等形式多样的体育收藏活动上，运动鞋均占有重要的一席之地；收藏者不惜重金收藏运动鞋，在收藏中感受着体育文化带来的审美熏陶和智慧启迪。这些都彰显或隐含着运动鞋文化价值的丰富性和多样性——基于多个学科的视角和维度管析运动鞋文化价值，无论对于运动鞋的研究、制造和销售，还是对于发展体育文化、推动竞技体育和大众体育运动都具有重要意义。
1.运动鞋文化的衍生与发展——基于历史文献学的视角与维度
相比于运动鞋人体功效学和运动生物力学等方面的研究，关于运动鞋文化的发展史研究则显得较为冷门，它只是散见于各种历史文献之中。这些记载，又往往是基于文化的视角进行真实描述，而非从“运动”或者体育的视角进行记载，但我们不能因此否定这些广义上的鞋的“运动”功能和作用——在鞋没诞生之前，人类是以赤脚的形式运动发展的；在鞋诞生之后，人类又以鞋装备双足进行运动发展，进行着诸如狩猎、奔跑、游戏、军事斗争等各种各样的活动，鞋也随着人类运动发展而发展着它的款式、色彩和制作材料。理论认为，需求是人之本性，是社会发展进步的动力。鞋正是人类在同自然博弈、发展自我的“运动”过程中因自身需求而产生的，鞋也因此从一开始诞生便具有“运动”的性质，可以说，运动是鞋的本质属性。由此，回溯运动鞋文化的发展史，我们不得不从两种视角和维度去审视，一种是广义意义的“运动鞋”，即鞋；一种是严格意义上的“运动鞋”，即应用于体育运动中的专业运动鞋。
广义意义上的运动鞋文化有着深厚的历史渊源。吴欣《中国消失的服饰》（2010）、沈从文的《中国古代服饰研究》（2002）、袁杰英的《中国历代服饰史》（1994）、骆崇琪的《中国鞋文化史》（1990）、周锡保的《中国古代服饰史》（1984）等专著对中国鞋文化进行了多个视角的扫描。其中，由民俗学家叶大兵等编写的《中国鞋履文化辞典》，从多学科视角系统反映了我国制鞋史和鞋文化发展史，介绍了传统和现代鞋履的详细情况，展现了由鞋所引出的谚语、谜语、成语、寓言、戏剧传奇等文化景观。从这些文献中，我们可以从氏族社会时期的彩陶领略到我国最早的鞋的形象，从历史考古中欣赏到中国较早的实物鞋，但要挖掘鞋的历史发展渊源，还需要我们从历史文献中去探寻。
从鞋的发明创造看，《礼记·礼运篇》以“未有麻丝，衣其羽皮”描述了原始人类以动物的皮来裹脚，这也许正是鞋的最早的雏形；在传说中，鞋则是由黄帝所发明，立于北京的《靴鞋行孙祖殿碑》记载了黄帝造鞋，“始创造屐履，借作护足之需”；1973年出土于青海大通县、被考证距今5000多年的陶俑，其脚穿有一双尖部上翘鞋，印证了古人在传说中的黄帝时代已由以物裹足改为穿鞋。从鞋文化发展看，鞋与古代社会政治、文化礼制有关密切的关系。如在先秦时期，殷商时代便初步建立了鞋之礼制，周代设有负责贵族用鞋的“屦人”一职，周代则明确定义了“复下日舄，单下日屦”的鞋的形制，其中舄多为贵族穿用，而屦则限于平民穿用。在秦汉时期，规定丧事着舄、上朝穿靴、燕服穿屦等，鞋的穿用规制更为具体。魏晋之后，鞋开始趋向于时尚化发展，如魏晋时期便出现了玉华飞头履、芴头履、分梢履、五朵履等，鞋的样式极为丰富。从鞋与运动的关系看，历史文献中有较多穿鞋运动的记载，如周武王姬在其《履屦铭》中说，“慎之劳，劳则富”，既强调了鞋的功能和作用，告诫人们精心爱护脚下的鞋，又强调要着鞋而劳；《南史》这样记载了嗜好运动的谢灵运，“登蹑常著木屐，上山则去前齿，下山则去后齿”；《南史》还记载了人们足穿芒履活动的情形，“使其子弟并著芒履，于斋前习行”；《晋书·石季龙载记》记载了女子穿靴骑马的情景，“五文织成靴，游于戏马观”；李白《嘲鲁儒》“足着远游履，头戴方山巾”这一诗句中的“远游履”系唐代的一种便鞋，差不多类似于今天的运动鞋。从这些历史文献中可看出，运动鞋在中国有着悠久的历史渊源和丰富的文化内涵。 就严格意义上的运动鞋而言，其产生与发展一般有两个重要因素，一是古代奥运，虽然最早的奥运赛场上人们是赤脚参与 竞技，但却催生了运动鞋；另一个是近代橡胶工业的进步，为运动鞋的生产与制造提供了理想材料。回顾运动鞋的诞生与发展史，我们可去用几个“第一”来管窥运动鞋发展的历史概貌：世界第一双槌球鞋——1968年诞生于美国，由“橡胶底+帆布帮”并通过围条制作而成，它被称为近代史上第一双运动鞋；世界第一双篮球鞋——1917年由美国匡威鞋业公司生产制造，并随着篮球巨星Chunk Taylor在巡回赛中推广，这一运动鞋很快成为篮球运动员和广大青少年青睐的足下用品；世界第一双胶铸钉鞋——上世纪20年代，由阿迪达斯研发制作，因美国短跑运动员杰西·欧文斯使用而连夺四枚金牌而成为扬名世界的品牌。在此过程中，随着日本的Asics、德国的Adidao、美国的Converse等名牌厂商不断研发，把科技文化融入运动鞋之中，不断提高运动鞋的性能。上世纪60年代，美国耐克公司开始走出皮革、帆布等制作材料的束缚，大胆尝试运用尼龙材料做运动鞋子的帮面，所生产的该种运动鞋因其性能柔软、轻盈而牢固而深受运动员欢迎，后来又成为旅游消费者的青睐。到了上世纪80年代以来，随着雷宝、耐克等美国公司在全球各地投入生产，美国运动鞋开始风靡全球。这时，中国运动鞋厂商积极引进新材料、新工艺、新技术，研发生产各种专业运动鞋，努力缩小与国外产品的差距。
循着运动鞋文化发展的历史脉络，可以清晰地看到，随着科技文化的延续与融入、时尚文化的融合与衍生、明星文化的影响与深化，同时随着体育精神的广泛认知认同与大众体育的兴起，运动鞋文化价值日益凸显，它在深刻地影响着人们的生活方式和价值观念。
2.运动鞋文化与体育科学探究——基于运动生物力学的视角与维度
体育是一门科学，而科学是人类永远无法探知穷尽的领域。作为与体育运动关系最为直接和紧密的体育运动装备，运动鞋生物力学是体育科学领域的一个重要分支，这一研究的深化也正是体育科学体系的丰富与完善。事实上，运动鞋的文化魅力和价值，最根本的还是在于运动鞋本身，在于运动鞋的科学，在于科技文化的延续与融入，其他诸如运动鞋的时尚、精神、消费等文化价值都是运动鞋科技文化的衍生或者派生。
无论是运动鞋的结构设计，还是运动鞋的技术革新，其科学依据均是人体运动的生物学原理。也就是说，运动生物力学是运动鞋技术发展与进步的重要基础和前提。综合国内外运动鞋生物力学研究，其主要内容主要包括3个方面，即足的力学与结构功能，运动鞋的结构、用材及其功能，足、运动鞋与地面三者之间力的相互作用。在足的力学与结构功能方面，有的研究者对足的形态与结构进行分析，如Messier和Pittala等研究者认为，足的形态结构对足的功能影响较大，Cornwall与Mepoll等研究者通过测量分析论证了足部功能；有的研究者注重测量分析足的运动学，如Engsberg采用有限螺旋轴法探讨了跟距关节的三维运动学特征，Root、Orier和Weed等研究者运动三维影像技术分析了足的运动学特征；有的研究者对足的动力学进行了测量分析，如Cavanagy和 Michiyoshi运用足底压力分布的运动图像技术和计算机技术直观分析足底压力以及具体分布，陆毅琛和李建设等国内研究者采用德国Novel Pedar足底压力分布测试系统对足部在三种不同运动状态下的足底压力、压强等进行了实验和解析。在足、运动鞋与地面三者之间力的相互作用以及运动鞋的结构、用材及其功能方面，有的研究者着眼于足与地界面开展生物力学研究，如Olfat、Kayc、Lilyh等研究者对人在混凝土、草地、地毯等不同界面行走时足底压力状况进行了分析研究，论证了不同运动界面对足运动不同程度的影响；林丽芬、相子元等国内研究者也对此进行了实验研究，得出相同的结论。有的研究者着眼于足与运动鞋界面进行生物力学研究，如Cross等运用内置压电陶瓷感应器的鞋垫，对三种不同中底材料的运动鞋的性能进行了实验分析，结果显示，虽然三种运动鞋从地面获得的反作用力区别不大，但足底压力分布却具有较大的差异性；宋雅伟、蔡奕玺和华宇飞等国内研究者采用Instron电子万能材料试验机3367、Emed-pedar测量系统，对三种品牌篮球鞋足跟部压缩性能进行了试验比较研究，结果显示，NIKE品牌运动鞋在全部足跟着地阶段的模量最大，在全掌着地阶段吸收能量最多，因此它对足的动力支撑作用和减震效果都优于其他两种品牌的运动鞋。
这些研究成果的价值和意义不仅仅在于丰富和完善了体育科学体系，更为重要的是，它为运动鞋的技术革新和质的飞跃提供了有力的技术支持和理论基础。众多国际品牌运动鞋厂商都在积极吸收和运用运动鞋生物力学的最新研究成果，努力创新和拥有运动鞋的生物力学核心技术和知识产权，研制符合人体运动生物学原理、又深受运动员和普通民众青睐的运动鞋。其特征主要表现在以下4个方面：其一，遵循和运用模拟裸足这一运动生物力学原理。该原理主要是训练足部大小肌肉群，以减少足在运动时的损伤。在具体运用上，ADIDAS研发了“Feet you wear”篮球鞋，该运动鞋在其内底结构和内衬方面均模仿了人足的形状，其运动损伤率与同类篮球鞋相比降低了4.2%。与ADIDAS不同的是，NIKE研究的“Nike free”跑鞋运用了模拟裸足的动力学状态，其后掌鞋底结构宽大、前掌鞋底结构柔韧度高、大底设计有深槽，与普通跑鞋相比，其足跖趾关节的运动位移减少7%、屈肌力量增大20%，既提高了足弓运动功能，又大大减少了足部运动损伤的可能性。其二，遵循和运用能量回归这一运动生物力学原理。这一原理主要是运动鞋底把在落地缓冲阶段所储存的部分能量送回离地蹬伸时的人体。运用这一原理目的在于提高能量回归的效率和效度，这需要重点解决两个问题，即鞋底结构与制作材料。在鞋底结构上，EMA跑鞋在其中底前后掌位置设计了2个弹性悬空，这种设计由于增大了鞋底形变而提升了能量回归的效率和效度。实验表明，使用EMA跑鞋的耗氧量相比品牌跑鞋NEW-BALANCE减少2.2%。在制作材料上，Power Bounce跑鞋把EVA膨胀混合物作为鞋的中底材料，其性能具有两方面的特性，即鞋底在缓慢受力过程中极具柔软性，而在快速受力过程又充满弹性。其三，遵循和运用足跟控制这一运动生物力学原理。这一原理主要揭示了踝关节外翻程度与 运动鞋后掌结构的关系，在具体实践上，运动鞋厂商往往借此增加运动鞋的减震或者缓震功能。ADIDAS最早成功把CCS地面控制系统运用于跑鞋后掌部，研究表明，这一技术的运用使得踝关节外翻角度减少了25%，从而了也大大降低了膝关节运动时损伤的可能性。NIKE运动鞋则在后掌部设置了后跟稳定器，增强了足在运动中稳定性。其四，遵循和运用减震缓震这一运动生物力学原理。该原理一方面注重通过减小冲力来降低足部损伤的可能性，另一方面注重人对运动鞋的控制。为增强运动鞋的减震缓震功能，运动鞋厂商往往在运动鞋的中底夹层设置“囊”结构，如NIKE运用了AIR-ZOOM、AIR-MAX高压气垫等技术，REEBOX采用了DMX10气囊减震技术等，这些技术的运用，再加上诸如高密度的聚氨基甲酸乙脂、ABZORB专利减震等一些特殊材料的运用，运动鞋的减震缓震功能得到显著提升。 国内品牌运动鞋厂商也在探索运用运动鞋生物力学的最新研究成果，参与国际品牌运动鞋竞争。如李宁运动鞋自主研发了CUSHION缓冲垫技术、BUONCE反弹技术，前者的运用增强了篮球鞋前掌反弹的控制，后者则提高了运动鞋后跟的减震功能；安踏运动鞋则运用了足弓避震系统和芯技术等，前者模仿呈弓形的足底，运动鞋底采用“拱型”结构，这种结构除了具有传统的缓震系统功能外，同时它与人足构成了“双弓”结构，从而使足部运动获得了更多的缓冲和支持。总之，运动鞋生物力学研究与实践的深化与拓展，使得运动鞋科技文化显示出独特的魅力。
3.运动鞋文化与体育精神的培育与传播——基于社会文化学的视角与维度
社会学家奥格本在其《社会变迁》中指出，“发明是现存要素的组合”。以此观点来审视运动鞋文化的发展史和科技进步史，我们可以得出这样的结论：运动鞋的技术进步与文化发展是人类社会建构的过程，它是由各种社会因素塑造而成的。依据这样的观点和结论，我们可以从一个更宽广的视域审视和解读运动鞋文化的价值和意义：运动鞋技术的进步，一方面具有社会文化显功能，它以其特有技术、手段、工艺和方法丰富了社会物质文化资源，又以其特有思维模式和价值观念促进了社会文化环境的创新；另一方面具有社会文化潜功能，它因解构传统价值桎桐而具有一种文化补偿性功能，因打破文化的社会阶层垄断而使体育文化走向平民化，因模糊了文化的时空维度而使体育文化超越了地域性和民族性，成为全球性的精神信仰和价值追求。
作为超越地域性和民族性的人类共同的价值追求，体育精神与全世界无与伦比的文化现象与文明载体——现代奥运会的发展休戚相关，或者说现代奥运会对于体育精神的培育与传播起到了极其重要的作用。在此之前，虽然古代奥运竞技运动由于对权力和物质利益的一味追求，充满了力的角逐、拼杀和竞争，充满了暴力和残酷性，存在着诸多不公正和不合理性，但也培育了团结、和平和友谊的竞技精神。现代奥运继承了古代奥运的精神实质，并赋予了其以新的时代内涵，培育了“更快、更高、更强”的现代竞技精神，这一竞技精神彰显了公正、公平、自由、平等的价值观念，引导人们崇尚规则、遵循秩序；体现了人本思想，激励人们把身体、心理和精神方面的各种品质均衡地结合起来，以现代化的包括运动鞋在内的体育装备，朝着“更快、更高、更强”的目标挑战自我、超越自我。诚然，现代奥运的竞技运动不仅仅是运动员的竞争与角逐，同时也是一个国家、民族和地区综合实力、精神风貌的展示，于是，培养冠军、夺取金牌演绎为人们参与竞技体育的主要目标，甚至上升为国家战略。体育运动也由此成为一种“精英体育”。就运动鞋的研发而言，它的应用范围一开始差不多仅仅局限于专业运动员的运动鞋装备，其主要目标也主要是提高运动员的成绩以及为运动员保障运动防护。而融入科技文化的运动鞋的确为运动员的自我超越给予了有力支持，比如，刘翔在以12分88秒的成绩突破110米栏世界纪录时，其脚下跑鞋正是针对运动项目和运动员个人而设计的嵌有“锁定”系统的科学产品。在此过程中，运动鞋对于体育精神具有双重性的价值意义，它一方面因给予运动员实现自我超越以技术支持而具有培育体育精神的功能，另一方面又因运动鞋的使用和消费而具有传播体育精神的功能。
在消费语境下，当运动鞋文化连同体育精神、体育赛事、体育明星一同成为消费对象时，运动鞋文化的价值取向也在悄然发生变化，这种变化也正是运动鞋文化乃至体育价值从“精英”向大众的回归。当然，这种变化有着深刻而复杂的时代背景，但就运动鞋文化的视角去管析，其动因至少包括以下3个方面。第一，运动鞋生物力学的研究成果在给予运动员自身潜力挖掘、实现自我超越的技术支持的同时，运动鞋的生物力学科技也成为体育运动参与群体的普遍关注；在观赏体育赛事的审美过程中，观赏者也自觉不自觉地产生了一种渴望拥有运动员所使用的专业化运动鞋的体验。这种需求动机一方面促进了运动鞋生物力学研究的深化和专业运动鞋科技的发展，另一方面也促进了品牌运动鞋厂商把发展目光投向了大众消费市场，如NEW BLANCE的ENCAP避震组合系统、REEBOX的中底缓震科技、ADIDAS的智能芯片技术、NIKE的后跟稳定技术等，这些都是面向大众消费市场而运用的运动鞋科技，它不仅顺应了大众体育消费需求，也促进了体育运动的价值回归。第二，运动生物力学技术的运用相对时尚文化、明星文化所呈现的文化价值内涵是低调而内隐的，而大众真正的消费需求并不仅仅在这一低调而内隐的文化价值内涵，更多缘于外观设计的文化表征。于是，运动鞋的研发开始出现跨界合作，或运动鞋厂商主动与时尚界合作，或者时尚界主动与运动鞋厂商合作，把更多的时尚元素融入运动鞋的外观设计，运动鞋文化的体育价值无疑又因时尚的融入而加快了回归大众的步伐。第三，由于明星运动员往往是人们关注体育赛事的焦点，其使用的包括运动鞋在内的体育产品也由此引起人们的关注，而这些关注体育明星以及体育明星使用的体育用品的人群也由此演化为体育产品的消费市场。正因如此，众多品牌运动鞋厂商纷纷推出了“明星策略”，推出或以体育明星名字命名或用标有特有名号的为某个体育明星量身打造的专属运动 鞋，甚至系列产品，如NIKE与篮球明星迈克尔·乔丹合作的AIR-JORDAN系列运动鞋至今已热销30年，并由此演绎了较为宽广的文化空间。
在此动力推动下，运动鞋的消费日益宽泛化、大众化。大众对于运动鞋文化的消费，不仅仅在于运动鞋本身，更在于运动鞋所蕴含的科技文化、时尚文化和明星文化，更在于运动鞋所凝聚的体育精神、价值追求和思维方式。这种消费对于体育价值的回归、大众体育的发展产生着深刻的影响，这点我们可以从当下我国全民健身运动如火如荼的开展得到佐证。
人体运动生物力学研究范文第5篇
关键词：羽毛球；正手；后场高远球；技术分析
1.前 言
随着竞技运动的发展和全民健身的开展，羽毛球运动日渐风靡。无论是竞技为目的还是以健身为目的的羽毛球运动，都需要参与者积极地移动、跳跃、转体和挥拍等动作，运动各种技战术和步法。
羽毛球中后场高远球技术是羽毛球杀球、劈吊等技术的基础，对运动员击高远球动作进行技术分析，可以将动作进行量化分析，帮助运动员从根本上了解人体击高远球的原理以及如何更好掌握这门技术。
2.研究对象与方法
2.1 研究对象
本文中以沈阳体育学院4名羽毛球运动员为研究对象，其中2名运动员水平为二级运动，另外2名为业余水平，4人均以右手持拍，无伤病史。
2.2 研究方法
2.2.1 实验内容及过程
两台高速摄像机的摆设如图1中A机和B机的位置，A机拍摄运动员侧面的动作，B机拍摄运动员背面的动作，二者实现同步拍摄。每名运动员成功击打三次，在三次击打动作中选择最好的一次击打动作。
2.2.2 录像解析
利用会声会影9.0进行视频剪辑处理。采用美国APAS解析系统对处理后的视频进行解析，解析中以Dempster模型作为标准。
3.研究结果
3.1 引拍阶段技术特征分析
3.1.2持拍臂运动学分析
3.1.2.1右肘关节技术分析
根据图2，陈XX和康XX的肘关节下降时刻早，关节伸展程度大，在20°～40°之间出现一个较长时间的稳定波动期，表明右上肢的肌肉群协调工作能力强。闫XX的肘关节稳定波动期很短，说明引拍阶段不稳。结合表1和表2，由于肌肉群调整期过长，速度参数明显偏低。刘XX击球效果优于闫XX。通过以上分析，陈XX与康XX的右上肢肌肉群的短时间内的协调能力较强，刘XX次之，闫XX较弱。
3.1.2.2 右腕关节技术分析
图3中，运动员腕关节开始都有平缓起伏阶段，结束时腕关节背伸，这样挥拍击球时，腕关节会急剧反弹获得较大的速度。陈XX与康XX的腕关节角度变化的平缓起伏很长，然后急剧下降，而闫XX与刘XX的腕关节角度，则是一个缓慢的下降趋势。根据腕关节变化，闫XX与刘XX没有掌握良好的引拍阶段的技术动作，这也就影响了二人击球的效果，闫XX与刘XX在今后加强动作规范性训练。
3.1.3结束时刻持拍臂速度特征分析
观察表1，运动员在结束时刻各个环节的平均速度从小到大依次是右肩关节、右肘关节、右腕关节、右手和拍头，拍头速度最大，达到了12.7m/s，可见，持拍臂的速度变化符合力学变法原理。但就个人来看，闫XX有所偏差，右肘关节速度为4.6m/s，右腕关节稍小，为4.2m/s，不符合力学鞭打原理，分析其原因可能与图2-3中肘关节在稳定期的突然增大所引起的。4名运动员拍头速度从大到小依次是陈XX、康XX、刘XX和闫XX，陈XX最大为14.4m/s，闫XX最小为11.7m/s，相差比较大。所以认为，陈XX在完成引拍中全身的肌肉能够协调配合用力，技术熟练，康XX次之，刘XX和闫XX一般。
4.结论与建议
4.1 结论
4.1.1 陈XX与康XX的右上肢肌肉群的短时间内的协调能力较强，更有利于击球前的引拍动作的稳定，获得更好的击球效果。
4.1.2 闫XX与刘XX没有掌握好良好的引拍阶段的技术动作，是击球阶段各环节速度有较大差距。掌握好良好的引拍阶段的技术动作对于良好的击球效果至关重要。
4.1.3 四名运动员在击球瞬间持拍手臂的速度从小到大依次是右肩关节、右肘关节、右腕关节和右手，符合力学鞭打原理。
4.2 建议
4.2.1 加强肌肉的协调性训练，使肌肉群能够在短时间能迅速地调整到最佳状态。
4.2.2 加强基本动作的练习，牢固掌握良好的击打后场高远球的技术动作。（作者单位：沈阳体育学院研究生部）
参考文献：
[1]张丽莉.大学生网球运动员发球技术动作的肌电分析[D].东北师范大学，2013.
[2]丁海洋.男子网球运动员发球技术左下肢动作的生物力学分析[D].上海体育学院，2013.
[3]张曦元.网球发球中上肢环节链鞭打动作的生物力学研究[D].南京体育学院，2013.
[4]周萌然.网球上旋发球技术的生物力学分析[D].西南大学，2011.
[5]陈石.网球正手击球动作下肢的生物力学特征分析[D].北京体育大学，2010.
人体运动生物力学研究范文第6篇
关键词：有限元 医学 仿真实验
Research of experimental of medical's Finite Element Analysis（FEA） simulation
Niu Xiaodong， Lu Lirong
Shanxi Changzhi medical college， Changzhi， 046000， China
Abstract： It will solve many complex problems if apply FEA to medical research， and these problems are difficult to solve but need to be solved in the physics of medical applications. So that it can provides theoretical guidance and scientific foundation for medical research and clinical treatment. Have the experimental course of medical’s FEA simulation， medical colleges have a very important significance for student’s study， teacher’s teaching and research， cooperation of college and affiliated hospitals.
Key words： FEA； medical； experimental of simulation
有限元分析是一种广泛应用于工程科学技术的数学物理方法，用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学等物理场问题。1956年Turner等人提出有限元（Finite Element，FE）的概念。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。
随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到越来越广泛的重视，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机大多数设计制造已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、生物医学研究等各个领域的广泛应用已使设计水平发生了质的飞跃。
1 医学有限元国内外研究现状分析
有限元方法最早应用于骨科研究，开始于脊柱生物力学[1]。几十年来其在解决生物力学问题上得到了广泛应用，尤其近年来，随着数字及计算机技术的不断进步，有限元法本身已不再是相对独立地研究生物力学性质，它越来越多地与各种动力学模型、参数优化选择、临床放射学与实物测量、有机化学、组织学与免疫组化等方法巧妙结合，使结果更加准确可靠，成为生物力学研究中的一种重要工具。有限元方法在医学上的研究主要包括以下四个方面。
1.1 有限元模型的建立
有限元模型的建立，直接影响有限元仿真实验结果的精度、计算机计算过程、计算时间的长短，且模型建立的优劣与建模人员的专业素质和有限元知识分不开。现有研究的模型包括：人眼[2]、牙齿及矫正器[3]、脊柱[4]、颅脑骨骼[5]、胃[6]等人体骨骼及器官的三维有限元模型。
1.2 力学实验仿真
A.Pandolfi，F.Manganiello对所建立的人眼角膜模型进行了力学分析[7]。Tammy L HD等对建立的胫股关节三维有限元模型分析了骨骼变形对关节面接触行为的影响以及约束关节运动对接触应力的影响等[8]。
脊柱生物力学仿真是有限元法在生物力学中研究最早、分析最多、临床上应用最广泛的领域。杜东鹏等则对腰椎间盘膨隆的力学机制与腰椎疲劳骨折分别进行了探讨[9]。
头颅及颞下关节也是有限元在生物力学中研究的重点。吕长生等对建立的足部骨组织模型进行有限元分析，为运动损伤或运动鞋的评价等提供了依据[10]。王芳等建立并验证中国人全颈椎有限元模型，用于挥鞭样损伤分析[11]。米那瓦尔・阿不都热依木采用有限元方法，对颌面外科手术术后的颜面软组织形态变化进行预测[12]。
1.3 医疗器械的力学性能评价及优化设计
牙科是有限元法在临床应用中的一大领域，相应的各种牙科固定器材得以研制开发，这些器材的力学性能又是研制过程中重点解决的问题。蔡玉惠等研究了RPA卡环在游离端义齿应用中支持组织的应力分布状况，对RPA卡环的临床应用具有力学上的指导作用[9]。
在内固定钢板方面，张美超等从临床应用出发，利用有限元法对颈前路蝶型钢板进行生物力学模拟分析，得到了与其一致的易断裂部位预测[9]。
在人工关节方面，Heegaard JH等建立了髌骨的计算模型，并且模拟了在人工膝关节中去掉股骨假体对髌骨活动的影响[13]。王永书等对患者胸腰椎爆裂性骨折节段（T12～L2）部位利用有限元进行手术模拟，均与标本模型及术后CT扫描基本相符[14]。
1.4 血流动力学CFD应用
Tarbell JM用FIDAP和Fluent软件进行了血管壁中组织液流动的数值研究[15]。乔爱科等利用有限元分析方法得出冠状动脉搭桥术中对称双路搭桥比单路搭桥具有更合理的血流动力学，可以避免动脉粥样硬化的危险性血流动力学因素，从而减少手术再狭窄的发生[16]。杨金有应用CFD计算流体力学软件进行人体主动脉内血流数值模拟分析，为阐明血管疾病的发病机理提供理论依据[17]。姚伟用计算流体力学软件Fluent计算人体小腿骨间膜组织间隙中蛋白质非均匀分布情况下组织液流动[18]。
2 医学有限元仿真实验方法
通过上述医学有限元研究可得医学仿真实验的方法主要分为四步：（1）通过螺旋CT技术，采集大量的样本图像。运用现有医用物理实验室计算机对样本图像进行建模处理，并进行相关的有限元分析。（2）通过查阅相关国内外资料，针对所需建立模型的生理、物理等参数特性，在几种常用图像处理软件（Mimcs，Proe等）中选取较为合理准确的有限元建模软件。（3）在常用有限元分析软件（ANSYS，Fluent等）中选取较为合理准确的软件对模型进行有限元分析。（4）将有限元分析结果与实际测量数据进行对比，分析有限元模型的准确性。
3 有限元法在医学研究中的优势
有限元法在医学研究中具有四个方面的突出优势：（1）可根据需要产生各种各样的标本，对模型进行实验条件仿真，模拟拉伸、弯曲、扭转等各种力学实验，可以在不同实验条件下模拟任意部位变形、应力/应变分布、内部能量变化、极限破坏分析等情况。（2）标本也可以进行修正以模拟任何病理状态。同一个标本在虚拟计算中可进行无数次加载或组合而不会被损坏。（3）其结果不受实验条件的影响，也排除了实验条件造成的误差，而且可以重复计算，节约成本。（4）利用有限元法进行的模拟实验具有实验时间短、费用少、可模拟复杂条件、力学性能测试全面及可重复性好等优点。
4 医学院校开展医学有限元仿真实验的意义
在医学院校开展医学有限元仿真实验，可以使学生将相关医学、物理、生物等课程的知识综合应用于仿真实验中，给生物医学工程专业学生的毕业设计提供更为广阔的范围，使研究具有更高的水平；激发学生的创新思维和热情，使学生在自主科研创新的基础上，设计相关仿真实验加以验证、研究。同时，开展仿真实验要求教师不仅需要对本专业知识做到“了如指掌”，而且需要教师具有仿真实验相关的医学、物理学、生物学等非本专业学科的专业知识，还要求教师必须掌握螺旋CT扫描技术，Mimics，ANSYS等建模、仿真软件的计算机应用技术。这些知识对于教师实验教学、科研水平的提高具有十分重要而深远的意义。在开展医学仿真实验的基础上，建设医学仿真实验室，不仅可以为学生提供毕业实习条件，加强实习基地建设，而且与医院相关科室进行合作，可以在生物力学基础上预测手术中、长期效果，对医生手术具有较为科学的指导，加强了学校与医院的合作。
5 结束语
建立医学有限元实验有两个关键的问题：（1）医用有限元模型快速准确的建立。模型的快速准确建立可以减少仿真实验所需时间、降低费用、增加仿真的准确性和可信性。（2）建立通用的有限元模型库，为进一步的实验教学和科研打下坚实的基础。因此需要在具体实验实践中逐步探索和积累。
将工程有限元分析同医学结合开设实验课，属于多学科之间的交叉领域，不仅可以提高学生对所学专业知识的综合运用能力，增强学生就业与学习深造的竞争力，而且可以加强多学科教师的教学和科研合作，提高教师的教学科研水平。同时提高相关实验室的利用率，为学生自主开展创新实验提供平台，加强学校和附属医院的教学科研合作，为医学院校提供更为广阔的教学和科学研究领域。
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人体运动生物力学研究范文第7篇
【关键词】短跑技术；生物力学；放松技术；缓冲；摆动支撑
一、放松技术的概念
短跑是在人体大量缺氧状况下持续高速度跑的极限强度运动。肌肉力量的大小取决于肌肉中肌纤维的数量、单个肌纤维的收缩力量、肌纤维收缩前的初长度等参数。高速跑中的放松技能就是摆动技术和摆动力量的发挥与利用，它是短跑技术的核心，是高水平短跑运动员提高运动成绩的主要因素。
放松技术是一个抽象的概念，并不是指某种单纯的技术动作，而是多种因素在短跑运动中综合作用，是多个环节紧密结合形成的一个体系。根据力学的原理，可以把人体所承受的运动负荷量的大小作为衡量紧张与放松的标准。放松技术所体现的是运动员所具有的能力。运动员只有达到相当的能力，才能在运动过程中形成正确的技术动作。美国的学者朱·维苏茨金对50名较为优秀的短跑运动员进行实验研究，其研究结果也有力地说明了短跑技术中肌肉放松能力对提高短跑运动成绩的作用。
二、肌肉放松的生物力学分析
人的肌肉力量虽然经过训练可以在一定程度上有所提高，但其幅度是有限的。而肌力对某一轴的肌力矩也是在一定范围内的。当肌力矩一定时，减小肢体的转动惯量，可以增加转动的角速度。在短跑运动中，从腿后蹬结束脚离地开始的屈膝前摆，是以髋关节为轴的摆动。在屈膝时，充分放松伸展股直肌、股外侧肌、股中间肌，就更有利于股后群肌做向心收缩工作，使小腿靠近大腿折叠，缩短了向前摆腿的距离，使整个下肢绕髋关节轴的转动惯量减小，从而提高下肢前摆的角速度，增加步频。步长是在左右脚着地点之间在运动方向上的距离，它由着地距离、腾空距离及后蹬跟离三部分组成。从跑的技术原理分析，较小的着地距离可增大着地角，使缓冲阶段时间较长，缓冲动作充分，减小着地后的阻力及阻力冲量，有利于跑速的发挥。在大腿摆动阶段的屈膝前摆完成后大腿下压，先伸髋关节，再伸膝关节。要使腿积极下压，就要充分放松屈髋肌群的骼腰肌、股四头肌、阔筋膜张肌等，使伸髋的臀大肌等快速收缩完成向心工作。同时膝关节也要强调肌肉放松，股四头肌轻微收缩。这样能使脚落地点靠近身体重心垂线，减小着地距离，增大着地角。从而最大限度的减小由于脚着地所产生的制动力，加快跑速。
三、放松技术的作用
第一，肌肉放松能提高速度耐力
短跑是极限强度运动，运动员除具有良好的速度和保持高速度的能力外，还必须使短跑动作协调放松。在短跑中，当主动肌和对抗肌的活动协调一致时，就能以较快的速度去克服外周阻力，同时，也减少了它们之间的内阻力，推迟疲劳的出现。
第二，放松技术能增大肌肉收缩的力
短跑放松能力强的运动员，肌纤维参加活动的百分比可达90%，而放松能力弱的人只有60%的肌纤维参加活动，由此可见在收缩力量上存在着很大差异。而肌肉放松与肌肉收缩前的初长度的关系更为密切，肌肉越是放松，肌肉就越容易被拉长，肌肉的初长度越大，则肌肉的收缩力量就越大。反之，肌肉处于紧张状态，肌肉就难以拉长，肌肉的初长度越短，则肌肉的收缩力量就小，所以肌肉的协调放松能提高肌肉的收缩功率。
第三，放松技术能提高中枢神经系统的灵活性
如果运动员在短跑比赛中，追求高步频提高速度，而不积极发展动作幅度，许多附加神经冲动以高频率传导到中枢，会引起大脑皮质的高度兴奋。这样经过短暂时间后，频率下降，越跑越累，全程跑的后程速度难以提高。正因如此，放松跑技术有利于神经系统兴奋与抑制的转换速度和灵活性提高，使全程速度得以发挥。
第四，放松技术可提高耐受乳酸和消除乳酸的能力、提高三磷酸腺昔的合成能力
在短跑中肌肉快速收缩需要的能量是三磷酸腺昔的分解所提供的而肌肉中三磷酸腺昔储备是非常有限的，维持的时间仅几秒钟，这样必须在肌肉两次收缩间，即肌肉放松的时间内进行三磷酸腺昔的再合成。因此提高肌肉的放松能力，能促进血液循环，使肌肉中的血流量增加，给肌肉输送大量的氧气，保证三磷酸腺昔的再合成。
四、结语
体育运动本质上与人体生理结构紧密相关，从生物力学角度研究体育运动的规律是必然的趋势。对短跑技术的科学研究必将进一步促进其发展。而且应该看到，在不断的改进完善下，短跑技术也日渐趋于规范化和合理化。短跑技术的规范化主要是指跑的技术动作结构更加符合运动解剖学和运动生物力学的原理，使短跑技术表现出效率化和节省化；合理化上表现为：更加重视摆动技术、腾空与支撑时间之比更趋合理等。
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人体运动生物力学研究范文第8篇
关键词：生物力学；有限元分析；步态研究
中图分类号：G804.01文献标识码：B文章编号：1007-3612(2007)08-1080-03
有限元法(finite element method,FEM)是一种在工程科学技术中广泛应用的数学物理方法，用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学等物理场问题。有限元法应用于生命科学的定量研究,已取得了长足进展。在步态生物力学研究领域，尽管足底压力测量、影像分析和表面肌电等技术被广泛应用，但足部骨骼、软组织等结构内部的应力传递机理始终无法得到力学解释。当FEM应用于足部生物力学研究时，复杂的骨胳几何结构、边界条件和材料的不均匀性等问题便找到了可能的解决途径。
1步态的数值建模几何参数
1.1X光照片从不同方位的多幅X光照片获得几何数据重建足部的三维模型是一种方便、经济的方式。Jocob 和Patil［1,2］通过某健康者和某患有Hansen氏病的主体的X光照片获得的足部几何数据，进行了有限元对比分析。但是该方法所得到的模型相对粗糙, 只能给出足部的大致轮廓, 难以细致分辨足部各骨及其组织。
1.2 CT扫描图像的三维重建CT主要为横断层成像，但带有越来越多的图像后处理系统，如多维断层重建、三维图像重建、扫描后再次放大、立体模型与几何模型测量法等，可以清晰地反映出物体内部的不同结构和组织，对研究及建模带来很大方便。Camacho等［3］分析了间隔为1mm 的人体足部CT断层扫描照片(图1)，为进行有限元分析建立了一套较精确的模型。
1.3MRI图像重建MRI为核磁共振成像，该技术既具有成像清晰、解析度高的特点，又能清晰显示人体结构的组织学差图1人体足部CT断层扫描建立模型异和生化变化，在不改变的情况下，可直接获取横、矢、冠、斜4种断层图象。研究人员可以得到十分细致的足部几何模型。Gefen 等［4］从MRI图像中重建出正常人足部骨骼的几何构形。Zhang Ming等［5］通过Coronal MRI技术，间隔2 mm建立了糖尿病足的模型(图2)。
图2糖尿病足的模型通过上述医学成像系统获得的足部骨骼的几何学数据是比较精确的，但对于韧带、肌肉和足底腱膜等其它组织，则还需要从解剖学作更深入的研究，利用图像后处理分析（由输出的通用图像数据文件，存储在计算机中；采用直方图修正法来改善图像质量，或高斯滤波进行图像平滑以减少噪声，Sobel梯度算子检测边缘）来获得可靠的模型几何数据。常用的影像分析软件有mimics、3d-doctor等。通常方法是从上述软件得到各组织的边界数据，再从制图软件（solidwork、pro/e、ug等）建立实体模型，这样才有利于有限元分析软件（ansys、abaqus、femlab等）更好的处理。
2步态的数值建模材料力学参数
Huiskes［6］研究发现在准静态荷载下，骨和软骨可视为各向同性的线弹性材料。但是，Clift［7］对关节软骨做了有限元分析，证实关节软骨的应力―应变关系随时间的变化呈现出一定的非线性，故把关节软骨看作一种非均质、各向异性的材料更合理。Keyak［8］等把骨的应变张量看成力学激励，这样，应变张量中的各元素就是骨再造方程中的系数，然而，系数之多又给计算机模拟数值解造成了一定困难。Koosltra［9］等假设骨能够根据其应力―应变状态来调整小梁骨的方向性和内部密度分布，用应变能作为力学激励，由于它是标量，使方程的系数为常数，可以保证数值解的取得。因此，骨单元的划分一般采用六面体块单元或楔形单元。考虑到关节软骨在足部运动中起的重要作用，如果把关节软骨都简化为线弹性材料，计算结果必将有很大误差。因此，从模型的整体出发，在建模过程中一方面要注意把一些对足部运动影响不大的关节软骨(如跗骨间关节)加以简化，以减小模型的复杂度；另一方面，为保证计算的精确性，对于一些大关节软骨(如 距下关节)则要考虑为非线性，最好结合影像分析，获取其运动参数，以提供较为准确的边界条件。如何定义足部各关节的运动方式，并建立相应的足部模型约束条件是足部有限元分析的难点。
韧带，足底皮肤及肌肉等软组织属于非线性材料，所以可划分为簧单元。Race and Amis［10］对正常人体下肢韧带进行了单轴拉伸实验，得出韧带的材料参数可按下式取值：
3步态有限元分析的应用
3.1医学的临床诊断应用Jocob 和Patil利用三维有限元模型分析了Hansen氏病和糖尿病病人经常发生足骨变形、肌肉麻痹和足底局部溃烂等病理现象的力学原因，为解释和防治上述病情提供了大量有价值的信息。Gefen［12］模拟切断跖腱膜，发现完全切断后足弓广泛变形，长韧带承担的张应力显著增加，超过正常均值的2倍，据此提出手术切断跖腱膜必须慎重的观点。研究还发现糖尿病足第一跖骨头下软组织的张应力是正常足的4倍，第二跖骨头下张应力是正常足的8倍［13］。随着组织硬化加重，接触应力的峰值分别增加38%和50%，表明糖尿病足的损伤很可能始于更深的组织层，即内侧跖骨突出部下方的组织最脆弱。吴立军［14］等建立扁平足第二跖纵弓有限元模型，计算得出扁平足的第二跖骨动态应力比正常足增加了8%～21%，增加了第二跖骨疲劳骨折的危险性。Zhang Ming等模拟糖尿病足软组织硬度的增加，发现足部应力集中于跟部和中间跖骨区，说明了这两个部位溃烂的力学机理。Peter R.Cavanagh［15］等应用逆向有限元分析，说明了糖尿病足跟部软组织材料非线性建模的重要性，并且显式计算了足跟与不同材料和厚度的鞋之间的接触应力，为缓解病人跟部疼痛的力学因素提供进一步信息。
3．2辅助设计合理的鞋类、假肢和医疗器械应用有限元分析改进足踝矫形器(Ankle-Foot orthosis,AFO)和假肢的设计是康复工程和生物力学研究的热点。Abu-Hasaballah 等［16］用有限元法分析发现主要接触压力发生在AFO的穿夹部分，而最小压力发生在小牛皮外壳部分, 因此建议用小牛皮作为原材料制作AFO，既可以减轻AFO重量，又可以提高其舒适度。Lemmon 等［17］对用于治疗足部疾病的特殊鞋类的内垫的效果做了有限元分析, 并且验证了用准静态平面应变有限元法研究跖骨前端的足鞋界面，可以得到对足底应力分布的合理预测这一假设。此外，Shiang TY［18］研究了不同鞋跟垫材料对足底冲击波的吸收能力，并且发现，只有用二阶非线性应力―应变曲线才能正确地描述这些制鞋材料，肯定了FEM在设计具有特殊功能的鞋类中起到的关键作用。Gu yaodong等［19］应用非线性材料特性，对青年女性高跟鞋状态下足部应力分布的研究，发现跖骨区应力值为平底鞋状态下的2～3倍，足底腱膜处为平底鞋状态下的1.5倍，从力学角度说明了鞋跟高度给足部结构应力值带来的变化和高跟鞋状态引发的常见足病的成因。Syngellakis等［20］发现只要认真设定模型的关键参数，有限元法是评估各种塑胶足踝矫形器的可靠方法,并且可用来满足特殊患者的需要。Chen等［21］分析了2种完全接触式鞋垫的足底压力再分布情况，与平鞋垫相比，除了中足和趾区，完全接触式鞋垫可减低足底其它部位的正常应力峰值及平均值。Saunders等［22］建立了一个立体的加后跟垫的踝足模型，利用基于某截肢患者步态分析所得到的载荷条件加以分析，以了解假肢足跟部的粘弹性，旨在使假肢设计更加个性化。Xiao-Qun Dai［23］等对足、袜、鞋三者接触的力学分析，以解释由袜导致的不同足底摩擦系数，发现低摩擦系数的袜子明显减少足、鞋之间的剪力，对减少足底水泡和溃疡等症状有显著效果。
4结论
足部结构的特点在于其形状的不规则性，其外形一般多为自由形状的曲面，难以用准确的数学解析方程进行描述。因此，对足部各种力学行为进行计算机仿真模拟有助于认识和研究步态的内在力学机理。步态生物力学有限元研究虽然已取得一定的成果，但仍有许多问题尚待探讨。在模型的形态上，目前主要还是以骨骼为主，韧带、肌肉、软骨等结构还缺乏精确的分析；在生物材料特性上，虽然清楚材料性能参数直接影响着研究结果，但生物材料性能测试还缺少办法。
未来的研究主要围绕着足部三维运动参数的获取、三维有限元模型的完善以及足部运动状态下压力、剪切力的准确测量。随着计算机硬件的飞速发展与各类有限元应用软件的持续改进，医学影像技术对足部结构分辨能力的提高和图像识别技术的进步，在相当细微的程度上构建三维足模型成为了可能，同时，使FEM模拟仿真的精确度、准确度与计算速度不断提高。人们可以更方便地建立有针对性的有限元模型，用以模拟各种运动状况，为研究复杂的足部功能、足疾病因、物理治疗和康复器械提供更强的研究手段。
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