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(2013-02-17 09:21:42)
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体操动作的力学原理和技术分析
引 言
人体多种多样的动作是如何完成的？
是在中枢神经系统支配下，遵循一定的力学原理，以肌肉收缩为主动力、协同各种外力来实现的。
何谓体操动作技术？
体操动作技术是指符合人体运动科学原理，能充分发挥身体潜在能力，合理有效地完成体操动作的方法。
学习力学原理的意义？
有利于对动作技术进行中肯的分析，建立正确的动作概念，掌握动作的难点和关键，加速动作技能形成。
第一节 体操动作的结构和分类
何谓动作结构？
是指动作各组成部分之间固有的内在联系。这种联系主要体现在动作的运动学特征和动力学特征两方面。
一、体操动作的结构
运动学特征：是指物体相对于静参考系的位置随时间的变化而变化的特征。以时间为独立变量（自变量）、在位移（距离）、速度、加速度等方面的变化。（ s、a、v、β、ω）
动力学特征：是指物体运动的变化和作用于物体上的力之间的关系方面的特征。
大小－肌肉运动的紧张程度、工作的性质
时间－肌肉运动的时间（快、慢）
顺序－肌肉参加工作的顺序性
二、体操动作的分类
原因：是为了便于对体操动作进行正确分析。
（一）器械体操动作的分类依据：
级别 依据
一级 动作结构
二级 动作形式（身体姿势）
三级 动作方向
1．器械体操动作的一级分类：
|
特 征 类 别 |
运动学特征 |
动力学特征 |
||
|
重心轨迹 |
加速度（a） |
肌肉工作 性质 |
肌肉紧张 程度 |
|
|
静力性 动作 |
静止或 直线 |
a＝0或较小 |
静力性工作 |
较大 |
|
动力性 动作 |
曲线 |
较大 |
爆发式 动力性工作 |
较小 |
2．器械体操动作的二级分类：
|
一级分类 |
二级分类 |
动 作 形 式 特 征 |
|
静力性动作 |
静止姿势 |
身体各环节相对静止，姿势无变化 |
|
用力动作 |
身体各环节缓慢运动，姿势缓慢变化 |
|
|
动力性动作 |
直体动作 |
身体伸直，动作幅度较大 |
|
屈伸动作 |
身体屈伸，动作幅度中等 |
|
|
腿靠支点动作 |
腿靠近支点，动作幅度较小 |
|
|
摆腿动作 |
腿绕轴做钟摆形或绕旋形运动 |
3．器械体操动作的三级分类
|
一级分类 |
二级分类 |
三级分类 |
|
静力性动作 |
静止姿势 |
上支撑、下支撑 |
|
用力动作 |
向上运动、向下运动、上下运动、前后运动 |
|
|
动力性动作 |
直体动作 |
向前动作、向后动作 |
|
屈伸动作 |
原地屈伸、前摆屈伸、后摆屈伸 |
|
|
腿靠支点动作 |
向前动作、向后动作、向侧动作 |
|
|
摆腿动作 |
向前动作、向后动作、向侧动作 |
（二）技巧动作的分类依据：
级 别 依 据
一 级 动作结构
二 级 动作作法
三 级 动作方向
技巧动作的三级分类表：
|
一级分类 |
二级分类 |
三 级 分 类 |
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静力性动作 |
静止姿势 |
倒立、平衡等 |
|
用力动作 |
向上运动、向下运动、前后运动 |
|
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动力性动作 |
滚 动 |
向前动作、向后动作、向侧动作 |
|
滚 翻 |
向前动作、向后动作、向侧动作 |
|
|
手翻、半手翻 |
向前动作、向后动作、向侧动作 |
|
|
空 翻 |
向前动作、向后动作、向侧动作、复合型动作 |
|
|
旋 转 |
水平旋转 |
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摆 腿 |
向前动作、向后动作、向侧动作 |
（三）体操跳跃动作分类依据：
级 别 依 据
一 级 腾跃器械的条件
二 级 动作方法和形式
三 级 动作方向
体操跳跃动作三级分类表：
|
一级分类 |
二级分类 |
三级分类 |
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一般跳跃 |
只用脚 |
向前跳、向后跳、向侧跳 |
|
手脚并用 |
向前跳、向后跳、向侧跳 |
|
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支撑跳跃 |
侧腾跃 |
腿向前、腿在后、腿向侧 |
|
正腾跃 |
向前、腿在后 |
|
|
手翻腾跃 |
前手翻、后手翻、侧手翻、复合型腾跃 |
前手翻、后手翻、侧手翻、复合型腾跃
第二节 基本力学原理及运用
一、完成体操动作的力
力是改变或趋向于改变物体的静止状态或匀速直线运动状态的原因。人体要完成体操动作，就必须受到各种力的作用。
完成体操动作的力主要分为外力和内力两种。
力的三要素：
（一）完成体操动作的外力
主要的外力有：
人体外力的特征：
（1）外力的作用点，一个在人体的内部，另一个在人体的外部，从而表现出力的效应。
（2）当外力通过人体重心时，可使人体产生平动；当外力不通过人体重心时，可使人体产生转动，此时外力起转动力矩的作用。
1. 人体重力：
地球对人体的吸引力称为人体重力。
表达式：G = mg
特点：方向始终垂直向下。（人体各环节重力的合力点称为重心。）
作用：
（1）从上到下起动力作用。
（2）从下到上起阻力作用。
运用
1）竖直运动：从上到下起动力作用；从下到上起阻力作用。
2）摆旋运动：在水平状态下，无论是起动力作用还是阻力作用都是最大的。
3）斜坡运动：重力分解为切线分力和法线分力，切线分力与动作方向一致是动作的动力，反之亦反。此为斜面教学方法的理论依据。
2. 支撑反作用力
人体施力在器械或地面上，器械或地面也对人体施加一个大小相等、方向相反、沿同一直线作用的力，称为支撑反作用力。（包括静力支撑反作用力和动力支撑反作用力两种形式）
1）静力支撑反作用力
人体施力在器械或地面上，器械或地面也对人体施加一个大小相等、方向相反、沿同一直线作用的力，称为支撑反作用力。（包括静力支撑反作用力和动力支撑反作用力两种形式）
2）动力支撑反作用力
当人体以一定的加速度作用于器械或地面时，得到的支撑反作用力就是动力支反力。
表达式：F = G ± F i （ F i ＝ -ma）
注 ：F i 是惯性力：是物体的惯性对改变其一定状态的阻力。它等于人体质量与人体重心相当于作用点所具有的瞬时加速度的乘积，方向与加速度的方向相反。
因为F i ＝ -ma，所以一方面应使肌肉爆发用力，以加大人体重心对支点的瞬时加速度，另一方面，在技术允许的条件下，可相对加大身体某环节的质量。如：双杠挂臂撑屈伸上时，在向前上方伸腿的同时送髋，以加大运动环节质量。
当人体做下法落地动作时，身体下肢各环节均应做被动弯曲缓冲动作，以减小地面对人体的冲击力，避免对人体的伤害，并增加落地的稳定性。
3. 摩擦力
两个相互接触的物体相对运动（或有相对运动的趋势）时，在接触面上产生一个阻碍物体运动的力，被称为摩擦力。其方向与运动方向相反。
公式：f =μN
调整摩擦力的方法：改变摩擦系数和握力。
摩擦力的种类及运用：
1）静摩擦力——————尽量加大
2）滑动摩擦力—————适当处理
3）滚动摩擦力—————尽量减小
4. 器械弹力
当人体施力于器械时，器械发生形变，在恢复原状时所产生的力，称为器械弹力。
公式：Fe = - kx（虎克定律）
应用：
5. 向心力
做圆周运动的物体，始终受着一种力的作用，它与物体运动方向垂直，沿着半径指向圆心，此力被称为向心力。它是产生向心加速度的原因，只能改变速度的方向，而不能改变速度的大小。
表达式：F n= mv2/r或Fn=mω2r
离心力：是向心力的反作用力，它沿着半径背离圆心。
（二）完成体操动作的内力
凡是人体内部各环节相互作用产生的力，称为内力。
特点：内力的作用与反作用的着力点均在人体内部，其总和等于零。
1）在无支撑状态下，内力只能改变身体各环节的相对位置，而不能改变身体重心运动的轨迹。
2）在支撑状态下，内力不仅能引起身体各环节的相对运动，而且能改变身体重心运动的轨迹。
1. 内力的种类
1）肌肉拉力：通过中枢神经系统的调节，使肌肉收缩而产生的力。（是人体运动变化的唯一主动力。）
2）组织的被动阻力：是指对抗肌群、韧带、关节软组织和内脏器官等，对肌肉收缩的阻力。
2. 运用内力的方法
1）做好准备活动 肌肉升温、神经系统适宜兴奋，可使肌肉收缩迅速、准确、有力。
2）各部协调配合 身体各环节协调配合，能保证肌肉力量最集中地使用在动作上。如头部的状态反射。
3）肌肉适当放松 肌肉放松增加初长度，增加肌肉收缩的速度、幅度和力量。
4）掌握用力时机 根据身体运动的方向和部位，准确地掌握用力的时机，才能合理地完成动作。
5）注意调整呼吸 呼吸在一定程度上影响肌肉的紧张程度。用力时憋气，保持静止时以浅呼吸为宜。
（三）内力与外力的关系
1.内力是产生位移的原动力，外力是产生位移的条件。
2.内力可以引起相应的外力，外力也能引起相应的内力，并在一定程度上能决定内力的大小、方向、作用时间等。
3.内外力是既有区别，又有联系，相辅相存的整体。
二、力学原理在体操中的运用
原理是指科学的某一领域或部门中具有普遍意义的基本原则（《辞海》1989年版）。正确地认识完成动作所依据的力学原理，深入理解动作各部分之间的内在联系，有助于加速掌握动作的进程和提高动作的质量。因此，研究主要的力学原理的基本含义和它在体操运动中的应用条件是非常必要的。
一）平衡原理
1.平衡条件（从力学角度讲）
即：不应该有引起人体重心线加速度的力，也不应有引起人体围绕其重心旋转的转矩，才能保持身体成静止姿势。如果缺少一个条件，人体的平衡状态就会受到破坏，从而产生平动或转动。
2.平衡的种类（依人体保持平衡的可能性和所依据的条件分）
|
种 条类 件 |
稳定平衡 |
不稳定平衡 |
随意平衡 |
|
身体重心与支撑点的关系 |
重心在支 点的下方 |
重心在支点的上方（或平行） |
重心在支点的正下方 |
|
身体发生位移时 重心的变化 |
重心上升 |
重心下降 |
重心不升不降 |
|
位移后恢复平衡的力学条件 |
产生使身体恢 复平衡的力矩 |
继续产生破坏身体平衡的力矩 |
始终保持平衡 |
|
动作实例 |
单杠直臂悬垂 |
双杠肩倒立 |
技巧团身 前后滚动 |
3.影响平衡稳定的因素
稳度：人体在静止状态中失去平衡的难易程度。
（人体失去平衡越难，其稳度就越大，反之越小）
平衡角：确定某方向的总稳度时，用平衡角来衡量。
影响平衡稳定的因素主要有：支撑面、重心高度、稳定角。
1.支撑面：
是由支撑点及其空间的表面积构成的。
2.重心高度：
人体重心越低，平衡的稳度就越大，重心越高，稳度越小。
3.稳定角：
是指人体重力线和重心与支撑面边缘上任意点连线所构成的夹角。
（人体的稳定角越大，其稳度就越大，人体的稳定角越小，其稳度就越小）
二）牛顿第一定律
1.含义：
任何物体总是要保持其静止或匀速直线运动状态，直到其他物体的作用迫使它改变这种状态为止。（也称惯性定律）
物体的惯性：是指任何物体都有保持其运动状态不变的特性。
该定律阐述了力的作用在于改变物体运动速度，产生加速度，即改变物体的运动状态必须有力的作用，力是物体产生加速度的原因，而不是维持速度和产生速度的原因。
2.牛顿第一定律的运用：
运用该定律的重要原则：保持动作的连贯性。
1. 保持动作各阶段的连贯性。
2. 保持各动作之间的连贯性。
3. 持续用力完成慢起动作。
4. 持续用力保持静止姿势。
5. 顺势做各种动作。
三）牛顿第三定律
1.含义：是指两个物体相互作用的力总是大小相等、方向相反、作用在一条直线上。（又称为作用力与反作用力定律）
2.运用：由于作用力与反作用力大小相等、方向相反，同时F=m a，因此，同样大小的两个力，因物体的质量不同所获得的加速度也不同。质量越大加速度越小，质量越小加速度越大。例如鱼跃前手翻和一般的前手翻。
四）牛顿第二定律
1.含义：是指物体在受到外力作用时，物体所获得的加速度与合外力成正比，而与物体的质量成反比，加速度的方向与合外力的方向相同。
2.表达式：F = m a
3.运用：
1）全面考虑力的三要素。大小、方向、作用点
（例如：双杠挂臂撑屈伸上）
2）合理控制体重。
牛顿第二定律——动量定理：
含义：是指物体所受合外力的冲量等于物体动量的增量。
表达式：Ft=m vt-m v0
运用：
1.增加力的作用时间。通常是利用增加工作距离来实现的。（如鱼跃前滚翻踝、膝关节的蹬伸等）
2.因为延长力的作用时间是有一定限度的，所以体操练习中需要不断提高力量素质。
牛顿第二定律——动量守恒定律
含义：是指在一个力学系统内，内力可改变系统内物体各部分的动量，可将某一部分的动量传递给另一部分，而系统的总动量保持不变。
表达式：mv=常数（Ft=0）
运用：动量的传递实质上是速度的传递。在完成体操动作时，身体某一环节运动速度的减小，即可增加另一环节的运动速度，使两环节产生“相向运动”。这是体操制动技术的理论基础。
牛顿第二定律——碰撞原理
含义：是指两个具有一定速度的物体在相互作用的极短时间内，所发生的冲量变化。
表达式：F=（mvt-mv0）/ t
运用：
1. 缩短力的作用时间，增加冲击力。这是体操制动式起跳和推手技术的理论基础。
2. 延长力的作用时间，减小冲击力。这是体操落地缓冲技术的理论基础。
五）转动定律：
含义：物体转动的角加速度（β）与外力矩( M )成正比，而与物体的转动惯量( J )成反比，角加速度的方向与外力矩的方向相同。
转动惯量是转动物体惯性的量度。
表达式： M=Jβ （J = mr2） （M＝Fd，M＝Gd）
运用：力矩的作用是人体产生角加速度的原因。在体操练习中，重力矩在人体转动的不同阶段起不同的作用。由上向下时起动力作用，一般要尽量加大重力矩；反之起阻力作用，在技术允许的条件下，可适当减小重力矩。如技术不允许，就应发挥较大的肌力矩来克服重力矩的阻力作用，按规格标准完成动作。
转动定律——动量矩定律：
含义：是指转动物体所受的冲量矩等于在这段时间内物体动量矩的增量。是转动定律的另一表达形式。
表达式：Mt ＝Jtωt－ J0ω0
运用：
动量矩定律反映了力矩对时间的累积效应。要取得更好的转动效果，主要是增加力矩的作用时间。这可通过增加工作距离、加大摆动幅度来实现。
转动定律——动量矩守恒定理：
含义： 是指作用在物体上的合外力矩为零时，内力可以改变物体各部分之间的动量矩，将某一部分的动量矩传递给另一部分，而总和保持不变。
表达式：Mt ＝ 0时，Jωt＝常数（J＝mr2）
运用：
1. 腾空旋转 通过改变人体的旋转半径来改变转动惯量和角速度，即可准确地完成动作。（如空翻、手翻、转体等）
2. 定轴旋转 若外力矩（摩擦力矩）影响一定时，也可近似的运用该定理。（如：翻上成支撑等）
3. 动量矩的传递 在一个力学系统内，动量矩可以互相传递。（前手翻腾空后制动腿以加速上体翻转；挂臂撑屈伸上伸腿送髋后制动腿可增加上体向前上的翻转速度等）
六）机械能转换和守恒定律
含义：是指在封闭系统中，机械能可以相互转换而总和保持不变。机械能包括位能和动能两种。能是表示物体做功本领的物理量。
位能：重力位能 EP=mgh
弹性位能 Ee=1/2 kx2
动能：EK平＝1/2 mv2
EK转＝1/2 Jω2 ＝1/2 mr2 ω2 ＝Mθ
机械能转换和守恒定律的运用
1. 主要利用转动动能完成动作；（支撑后回环）
2. 主要利用弹性位能完成动作；（挂臂撑屈伸上）
3. 利用两种能量结合完成动作。（悬垂摆动屈伸上）
七）力偶原理
力偶：是指两个大小相等、方向相反、且不作用在一直线上的平行力。力偶有使受力偶作用的物体发生转动的趋势。其定量量度是力偶矩。
力偶矩表达式：M＝F1h＝F2h
运用：
力偶原理多用在腿靠近支点的类中。一般做法为：利用上体与下肢的反向运动形成力偶，使身体绕轴旋转完成动作。
1. 身体要有固定的旋转轴，避免产生平动。（支撑后回环）
2. 两个力尽量接近等值、反向，否则不易形成力偶。
八）切线原理
含义：是指做圆周运动的物体，由于向心力的中断而沿着切线方向运动的特性。
第三节 体操动作的技术分析
技术分析时应考虑的因素：
1. 人体特点
2. 力学原理
3. 动作规格
一、静力性动作的技术分析
（一）内容：
1. 静止姿势：是指身体各环节处于相对静止状态，完成动作时身体重心相对没有位移。
2. 用力动作：是指身体各环节处于缓慢运动状态，完成动作时身体重心有明显的垂直位移。
（体操静力性动作的基础是静止姿势，用力动作是在相对保持静止姿势的条件下，通过克服或退让重力来完成的。）
（二）要求：
1.要符合规格 2. 要平衡稳定 3.要轻松省力
（三）分析方法：
1. 合理增大稳定角： a.增大支撑面积；b.降低重心高度
2. 尽量减小重力矩：
a. 静止姿势：身体各环节应尽量避免远离重心，以减小肌肉做支持工作。
b. 用力动作：在完成动作过程中，身体各环节尽量靠近重心，以减小重力矩，可节省肌肉力量。
3. 及时调整呼吸：缓慢均匀的浅呼吸，有利于重心位置的相对稳定。
4. 利用状态反射：注意调整头部的位置。
5. 提高平衡能力： 人体在失去平衡时，通过视觉和本体感觉可反射性调节平衡。动作可免于失败，但质量会受到影响。
（四）静力性动作的技术教学步骤
由易到难，循序渐进
1. 支撑面由大到小
2. 身体重心由低到高
3. 重力矩由小到大
4. 肌肉工作由退让到克制
二、动力性动作的技术分析
一）摆动动作的阶段划分：
抛高、下摆、上摆三个阶段
二）依据：
判断一个动作由几个阶段组成要看它的开始姿势和结束姿势
三）动力性动作的技术分析
根据完成动作过程中能量相互转换和利用的规律，可把任一完整动作分为相互联系的两个阶段：准备阶段和完成阶段。
准备阶段：其任务是储备足够的能量，为完成动作做准备。主要包括四种技术。
a.升高和远离技术：升高是指把身体向上升至动作开始的最高部位；远离是指在向下摆旋过程中使身体重心远离转轴。
b.振浪和折屈技术：振浪是指在向下摆旋过程中，身体有关关节（髋和肩）的急速屈伸；折屈是指在摆旋过程中，身体由伸直逐渐屈髋折紧。
完成阶段：其任务是合理利用能量，按规格准确完成动作。完成动作阶段的技术，根据准备阶段结束时身体姿势的区别和动作规格的不同，而有不同的形式，主要技术有以下几种：
a. 腿加速制动与上体急振技术
b. 改变半径调节旋转技术
c. 准确脱手与稳准落下技术
d. 反向运动与晚放早撑技术
三、技巧动作的技术分析
一）滚翻动作的技术分析
准备阶段：
1. 增加人体冲量——根据动量定理
2. 利用重力位能
完成阶段：
1. 减少能量损失
2. 及时补充动力
二）手翻动作的技术分析
准备阶段：
1. 获得翻转力矩
2. 建立牢固支点
完成阶段：
1. 及时补充动力
2. 加快身体翻转
三）空翻动作的技术分析
准备阶段：
1. 快速有力起跳
2. 增加腾起角度
完成阶段（根据动量矩守恒定律）：
1. 加快翻转速度
2. 制动翻转速度
四、支撑跳跃动作的技术分析
一）阶段划分：
助跑、上板、起跳、第一腾空、推手、第二腾空、落地七个阶段。
二）联系：
助跑是支撑跳跃的最根本动力；助跑上板和起跳的有效结合及推手技术的合理性是完成动作的关键；第一腾空和第二腾空是决定动作的性质和表现动作质量的主要标准；落地是衡量动作稳定性的重要因素。
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