生物力学考试

生物力学考试复习资料

前17题考6-8个题目，18-20考2题

一.简答题

1.举例说明牛顿第一运动定律在体育中的应用

答：牛顿第一运动定律，又称惯性定律，它科学地阐明了力和惯性这两个物理概念，正确地解释了力和运动状态的关系，并提出了并提出了一切物体都具有保持其运动状态不变的属性——惯性。

1.如保持一定的速度比改变速度容易很多，因此在长距离的游泳，赛跑中，提倡用适宜的较稳定的速度游、跑等；

2.如在体操中，特别注意动作的连贯性，避免频繁的改变动作速度，减少不必要的负荷；3.如上举杠铃、单杠及撑杆跳高中的引体向上动作，如能够保持动作的连贯性，则能够较 容易的完成。反之，动作中途停止，则会加大动作的难度；

4.如自行车运动中对惯性的运用，在运动员蹬到最大速度的时候，自行车就可以利用惯性前进，减少运动员的体力损耗；

5.如在羽毛球技术中的对惯性的运用，在击球的时候保持动作的连贯性，就可以击出更加省力、落点更加准确的球，对运动员的技术的发挥具有重要作用。 2.举例说明牛顿第三运动定律在体育中的应用

答：两物体相互作用时，它们对各自对方的相互作用力总是大小相等而方向相反的。作用力和反作用力分别作用在不同的物体上，分别产生各自的效应。牛顿第三定律表明了力是物体间的相互作用。相互作用力总是等大、反向、沿同一直线。

在走、跑、跳等动作时，人体获得的动力是人蹬地过程中，地面给人体的反作用力。要获得较大的反作用力作为人体运动的动力，必须加大人对地面的蹬地力。这又取决于人体肌肉活动引起的对地面作用力的大小。肌肉活动是主动的。为了提高人体运动效果，最重要的是提高肌肉收缩速度和力量，以加大蹬地力从而获得一个大的反作用力，使人体运动状态发生变化。 3.举例说明体育运动中出现的失重和超重现象

答：失重现象：支撑反作用力小于体重；超重现象：支撑反作用力大于体重

例如在原地纵跳中，在下蹲的时候支撑反作用力小于自身的体重，这时候是失重现象；而在蹬伸的过程中，支撑反作用力是大于自身体重的，这时候是超重现象。在原地纵跳中，下蹲和蹬伸的过程中，动态支撑反作用力是不断变化的。 4.分析说明摆臂在跳跃动作中的作用

答：1. 摆臂可以大幅度地提高身体的重心高，增加地面反作用力，增加蹬地的作用力；

2.向上加速摆臂可以增加起跳力；

3.良好的摆臂动作可以使脚在着地瞬间获得较大的运动速度。 5.举例说明动量定理在体育中的应用

答：动量定理亦称动量原理，是描述物体机械运动状态变化规律的基本定理之一。物体在运动过程中，在某段时间内动量的改变等于所受合外力在这段时间内的冲量。

动量定理在体育运动的研究中应用广泛，根据此定理，可以对运动技术提出一些一般性的原则

1.在投掷项目中，往往要求在最后用力前使身体尽可能超越器械。其作用：一是可使原动肌充分拉长，以提高肌肉的收缩力；另一方面可延长最后用力的作用距离，从而延长作用时间，达到最大冲量的目的。这在体育中多见，如短跑中要求后蹬充分，以增大蹬地时的工作距离来增加力的作用时间；游泳运动员曲臂“s”型划水代替直臂划水，其目的也是增加力的作用时间；

2.如若要减少对人体的冲力，就得延长力作用的时间，各种落地缓冲动作就是典型的例子。由动量定理可知，如果动量的变化量是一个常量，既冲量值也是一个常量。这时延长作用时间，就可以减少冲力的大小。如落地动作，一般要求从前脚掌着地，迅速过渡到全脚掌，同时屈膝，屈髋，伸踝，其目的就是延长与地面的作用时间，减少冲力对人体的作用。又如接高速来球，当手接球的同时屈肘回收，顺势接球，可以延长手与球的作用时间，从而减少球对手的冲力；

3.运用动量定理还可以计算人体运动中的一些力学参数。在跳跃项目中，用测力台测出踏跳力随时间的变化曲线，就可以求出人体所受的冲量，运用动量定理，则可以求出人体腾空的速度。 6.举例说明增加肢体转动效果的方法

答：（1）增加肌肉对骨杠杆的拉力矩。由转动定律和动量守恒定律可知，肢体转动惯量不变时，

增加肌力距，可加大肢体的转动角速度。肌力距等于肌力与肌力臂的乘积。欲增大肌力距，一方面增大肌力的大小，另一方面增大肌力臂。在肢体的运动过程中，由于肌肉拉力角的变化，会引起肌力臂的变化。当肌肉拉力角为90度时，其力臂达到最大值。

（2）减小肢体的转动惯量。人体肌肉力量是有限的，肌力对某一轴的肌力距也是有限的。当肌力距一定时，减少肢体的转动惯量，可以增大转动角速度，最终可以增加转动的角速度。因而，在肢体的转动中，如果将肢体的各组成环节的质量尽可能靠近转动轴，减少肢体对轴的转动惯量，从而加大肢体的摆动速度。

例如在跑步中的摆臂摆腿动作，为加快摆动的角速度，采用屈肘摆臂；小腿在后摆时，尽量靠近大腿折叠动作，使整个下肢绕髋关节轴的转动惯量减少，以提高摆动的角速度。

7.举例说明动量矩守恒定律在体育中的应用。

答：腾空状态时人体转动动作的基本力学原理，当物体所受的合外力距为零时，其总动量距保持不变，这就是动量矩守恒定律。

人体处于无支撑的腾空状态完成动作时，由于人体两端均无约束，因此身体某一部分向某一方向活动（转动）时，身体的另一部分会同时产生相反方向的活动（转动），这种身体两部分相互接近（或远离）的运动形式称相向运动。

如挺身式跳远的空中动作，运动员空中动作的任务是采取适宜的姿势，减少在起跳制动时所产生的绕额状轴转动的角速度，并为落地动作做好准备。因此，要求运动员在起跳后摆动腿伸前，然后向后下方摆动，两腿在身体后方并拢并背腿，同时两臂向后上方摆，使整个身体呈背伸挺胸姿势。此时，头、臂与下肢产生相向运动。当落地前做收腹举腿动作，上身的前屈下压动作，有利于举腿前伸。这上下两部分的相向运动是在内力距的作用下产生的。

8.说明人体腾空状态下为什么会产生身体相向运动，试举两例说明在哪些项目中运动员表现出身体的相向运动。

答：腾空状态时，所受的合外力距为零，其总动量距保持不变。肢体的相向运动:腾空状态，人体某部分肢体以一定大小的动量矩绕轴的某一方向转动时，另一部分肢体便以大小相等的动量矩绕同一轴向相反的方向转动，这种现象称为“相向运动”。作相向运动的力学条件就是动量矩的矢量和等于零。

在体育运动中，相向运动的现象在许多项目中都可以看到。如在跨栏时上下肢运动；排球扣球的背伸挺胸和收腹挥臂的扣杀，都可以用动量守恒定律进行力学分析。 9.画图说明香蕉球产生原理

答：香蕉球又称弧线球。伯努利原理：“在流水或气流里,如果流速小,对旁侧的压力就大,如果流速大,对旁侧的压力就小。”足球队员用脚踢球时,只踢球的一小部分,把球“搓”起来,球受力,就发

生旋转,而当球在空中高速旋转并向前飞行时,球的两侧一边速度大,一边速度小,相对讲,空气在球的两侧也就一边流速大,一边流速小。根据伯努利原理, 球就受到了一个横

向的压力差,这个压力差,使球向旁侧偏离,而球又是不断向前飞行着,在这种情况下,足球同时参与了两个直线运动,便沿一条弯曲的弧线运行了。

当足球以W角速度旋转使A方的气体流速加大，而使B方气流速度减慢，由伯努利定律可知：

PB> PA,V球的方向将向A方偏转，产生香蕉球。

10.分析说明高尔夫球的“凹坑”的作用。

答：空气动力学家把这个力分成两部分：升力及阻力。阻力的作用方向与运动方向相反，而升力的作用方向则朝上。高尔夫球表面的小凹坑可以减少空气的阻力，增加球的升力。一颗高速飞行

的高尔夫球，其前方会有一高压区。空气流经球的前缘再流到后方时会与球体分离。同时，球的后方会有一个紊流尾流区，在此区域气流起伏扰动，导致后方的压力较低。尾流的范围会影响阻力的大小。通常说来，尾流范围越小，球体后方的压力就越大，空气对球的阻力就越小。小凹坑可使空气形成一层紧贴球表面的薄薄的紊流边界层，使得平滑的气流顺着球形多往后走一些，从而减小尾流的范围。因此，有凹坑的球所受的阻力大约只有平滑圆球的一半。 小凹坑也会影响高尔夫球的升力。一个表面不平滑的回旋球，会像飞机机翼般偏折气流以产生升力。球的自旋可使球下方的气压比上方高，这种不平衡可以产生往上的推力。高尔夫球的自旋大约提供了一半的升力。另外一半则是来自小凹坑，它可以提供最佳的升力。

大多数的高尔夫球有300～500个小凹坑，每个坑的平均深度约为0.025厘米。阻力及升力对凹坑的深度很敏感：即使只有0.0025厘米这么小的差异，也可以对轨迹和飞行距离造成很大的影响。小凹坑通常是圆形的，但其他的形状也可以有极佳的空气动力性能

11.游泳运动员在游进过程中受到的阻力都有哪些？试说明高科技泳装是如何减小游进阻力的？

答：一、阻力：1.摩擦阻力，由于水具有粘滞性，运动员游进时，紧贴体肤有一层水随着运动员的皮肤前进，因而形成边界层，产生切应力，即摩擦力。

2.形状阻力（压差阻力）它是由于水的粘滞性原因、运动员游进时使其背部和身后产生涡旋和伴流、使人体消耗一定的能量而形成阻力。它与运动员的体型、姿势及游进的速度有关，故称形状阻力。因为它是运动物体前后的压强差所致，也称之为压差阻力。

3.兴波阻力和碎波阻力，游泳时，身体部分体积浮出水面进行正常的划臂和打腿，运动员是在两种流体的共界面运动。当运动员游进时破坏了液体的平衡而使液面产生振荡，使液面产生波浪所消耗的能量造成阻力 ，称为兴波阻力。当运动速度较快或划臂和打腿的动作会使波浪破碎形成飞沫，造成水花这部分能量损耗形成的阻力称为碎波阻力。

二、高科技泳衣：1.可以使阻力减少7.5%；2.使游泳的成绩提高3％ ；3.高科技泳装具有嵴状物突起，这种嵴状物突起可以有效地减少形状阻力；4.高科技泳装具有特别的组成部分——纤维炸弹，可以有效地减少肌肉颤动，减少能量的损耗；5.增大浮力，减少摩擦阻力。6. 高科技泳衣比一般泳衣要紧70倍，高科技泳衣在胸部、臀部等人体阻力最大的部位，采用特殊材料对肌肉进行压缩，以便把运动员的身体尽可能“塑造”成流线型。 12.人体骨骼的力学特点有哪些？

答：1．骨骼是各向异性材料，载荷方向不同其力学性质也不同。局部解剖位置不同其力学性质也存在差异。

2．成熟密质骨压缩强度最高，拉伸强度次之，剪切强度最差。顺着纤维方向的剪切强度低于横着纤维方向的剪切强度。松质骨的强度远远低于密质骨的强度。

3．应力集中会使骨骼的强度降低

4．加载速度增加，骨的强度和刚度增加，吸收能量的能力增加。

13.人体骨骼可能受到的力学载荷有哪些？人体骨骼最能抵抗和最难抵抗的载荷形式分别是什么？

答：可能受到的力学载荷有：

1.压缩载荷。常见于身体处于垂直姿势中，作用力从骨的两端作用于骨，一端是人体的重力和外加的载荷的力，另一端是支撑反作用力，骨骼承受压缩载荷的能力最强；

2.弯曲载荷：通常是在骨骼起杠杆作用时出现的。常见于肌肉力以及关节的压力作用于骨上，使骨产生弯曲载荷，通常这种载荷骨骼都能够承受，但是突然的非正常载荷或外来较大的冲力作用下骨骼易损伤。

3.拉伸载荷：常见于身体悬垂姿势中，骨的两端受到反向的拉力； 4.扭转载荷：常见于人体或局部肢体做旋转动作时骨骼承受绕纵轴的两个反向力矩的作用。骨骼的扭转强度最小，因而过大的扭转载荷容易产生扭转性骨折。

5.复合载荷：在体骨的载荷是复杂的，主要原因是骨骼的几何结构不规则，且始终受到多种不定的载荷。

人体骨骼承受压缩载荷的能力最强，而人体骨骼最难抵抗的载荷形式是扭转载荷。 14.什么是疲劳性（应力性）骨折？影响疲劳性骨折的因素有哪些？

答：含义：由于重复作用的较低负载引起的骨折，又叫新兵骨折、慢性骨折、骨劳损等称之为疲劳性骨折。

影响因素：1、应力大小2、应力重复次数及负荷频率3、负荷形式4、骨的力学强度5、肌肉疲劳程度6、局部解剖结构7、营养8、激素水平。 15.画图说明肌肉结构力学模型。并分析肌肉长度的增加与肌肉力和肌肉收缩速度改变之间的关系。

答：肌肉结构力学模型由三个元件组成，即收缩元、并联弹性元、串联弹性元组成。

模型的串联构成肌肉的长度，模型的并联构成肌肉的厚度。多个模型串联而成的肌肉，当各个收缩元产生相同的收缩力时，每个模型受的

外力相等，也等于整块肌肉两端的外力。而肌肉的伸长或缩短的总长度却等于各个模型伸长或缩短之和。因此，肌肉长度的增加，对其收缩的速度有良好的影响，但是不影响其收缩力。肌肉缩短时，如果各个模型产生同样的变形，那么肌肉两端的作用力是各个模型对其两端的作用力之和，而肌肉的变形与模型的变形相同。肌肉的围度由模型的并联成分组成，因此肌肉的生理横断面的增加会导致肌肉收缩力的增加，但是不会影响肌肉的收缩速度。

16.什么叫做肌肉的被动张力，举例说明肌肉被动张力对动作质量的影响。

答：肌肉结构力学模型由三个元件组成，即收缩元、并联弹性元、串联弹性元组成。并联弹性元：代表肌束膜及肌纤维膜等结缔组织。当被牵拉时产生弹力，称为肌肉的被动张力。

例如在羽毛球的扣杀中，在扣杀时屈膝，转体，侧身引拍，肌肉被提前拉长，并联弹性元代表结缔组织中的弹性纤维，因此它具有弹性，在扣杀引拍时，肌肉受拉伸产生弹力，提高肌肉的预张力。

17.在同等激活条件下，影响某瞬间肌肉发力大小的因素都有哪些？请简单说明各因素是如何影响肌肉力的。

答：在神经脉冲的影响下，肌肉的收缩成分出现激活状态。因此把肌肉兴奋时其收缩成分力学状态的变化称肌肉的激活状态。 影响因素：

1.该瞬间肌肉的长度：肌力的大小主要取决于参与横桥的数目，在最适宜的初长度时参与横桥数目最多，过长或者过短，均无最佳的效果。

2.长度变化的速度：肌力随着肌肉收缩速度的增加而下降，主要原因在于由于收缩元中的横桥断开与联系时损失肌力，以及收缩元和结缔组织中的流体粘滞性。因此，随着收缩速度的增加，需要更大的内力客服这些粘滞阻力，造成肌肉张力的下降。

3.距离开始激发时刻所经历的时间：被拉长的肌肉，肌肉张力随着时间的延长而下降。

二．综述题

1.试从生物力学角度说明专项力量训练的专门性原则

答：专门性原则是指力量练习时，直接用来完成动作的肌肉群尽可能地接近实际动作的结构、节奏和速度。

从生物力学角度角度看，运动员进行专项力量训练必须 遵循所谓的动态适应性原则。主要体现在以下几个方面： 1、动作的幅度与方向； 2、运动的有效幅度及重点区； 3、作用力（或肌力）的大小；4、最大作用力的发挥速率（或叫力的梯度）；5、肌肉工作形式

例如，在田径运动训练中，假如采用站立姿势用抬举杠铃片发展屈大腿肌力，那么在这种练习中无论动作幅度还是动作重点区，都不符合跑、跳项目的技术要求。实际上跑、跳当中大腿屈肌的工作重点区在大腿前摆的开始阶段，此时的髋关节角度为210度角。但在站姿做抬杠铃片练习时屈髋重点区在100度角左右。因此采用仰卧抬腿练习，更加适应上述要求。

2.试分析影响原地纵跳高度的生物力学因素

答：原地纵跳的起跳动作，首先是由站立姿势向起跳相反方向下蹲，然后通过下肢各环节充分蹬伸和两臂同时用力上振两个动作构成。充分利用起跳的下蹲动作，即通过反向的预备动作，适当拉长肌肉和增加用力距离，可以跳得更高。

起跳中两臂的上摆可以提高脚离地瞬间重心的高度并增大重心上升速度。但是，由于两臂的质量较轻，因而其对提高跳起高度的效果并不显著。

原地纵跳时，加速下肢各关节的蹬伸的关键在于下蹲动作的幅度和伸展的角度。实验结果表明，膝关节屈曲90度左右，下肢各关节的伸展功率最大。因此，原地纵跳预备反向动作的最大屈曲角度也约为90度。

3.试分析影响跑动速度的生物力学因素

答：影响跑速的生物力学因素众多，关系复杂。如步长与步频，支撑时间、离地距离；腾空的时 间以及腾空距离，离地时间以及离地角度。

跑步的速度主要由步长与步频决定。步长由支撑阶段的着地距离，后蹬距离及腾空距离的三个分 量组成。而步频则由全程跑的步数除以跑步时间得来。跑步时间又可以分为支撑于腾空两个分量组成。跑的速度取决于跑步周期中的动作技术质量，以及周期的重复速率。 跑步的生物力学原理：

(1)步长、步时的构成

左右脚着地点之间在运动方向上的距离为步长。在影片测量时也可由人体质心的水平位移作为测量步长的依据，即由着地距离、腾空距离及后蹬距离三个分量组成步长。

从跑的技术原理分析，较小的着地距离可增大着地角，减少阻力作用，有利于跑速的发挥。当比赛距离增大时，跑速相应减少，而着地距离相应增大。

步长、步时是跑步时身体位移在空间与实践方面运动学时征的表现。其合理组成是以着地距离较短、缓冲时间较长为宜。因为着地距离较短，可以增大着地角，减少着地后的阻力及阻力冲量，有利于保持跑速。而缓冲阶段时间较长，是缓冲动作充分的表现。它可以增大膝关节活动范围，减少后蹬角，从而提高蹬地效率。

(2)步长、步频指数

步长和步频，两者均随跑速的增加而加大，但并非直线关系。另一方面，重心上波动的振幅与跑速成反比。因此，速度低时重心波动最大，而速度最高时，重心波动最小。

(3)摆动技术原理

通常两臂摆动是与摆动腿的摆动同步进行的，因此仅用摆动腿的摆动说明跑步的摆动技术原理。跑步时摆动动作的意义有：

A、良好的摆动技术特征，可以使脚在着地瞬间获得较大的运动速度。由于脚的运动速度大，一方面可有助于形成较短的着地距离。另外可减少着地时脚与地面的碰撞阻力。

B、与跳跃动作中的摆动动作相类似，在支撑阶段摆动腿质心的竖直加速度方向背离支点。因此其惯性力指向地面，增加了支撑腿的载荷，从而提高了蹬地力，有利于蹬地效果。

C、摆动动作是跑步周期的重要组成部分，因此摆动动作与步幅、步频有关。

D、与下肢相对比，上肢的质量较小，而且相对肌肉力量较强。因此，在摆动时上肢比下肢容易加速，并容易维持在高节奏的摆动状态，所以上肢的摆动动作，对下肢的快速摆动及提高步频起促进作用。

(4)蹬地动作技术原理

跑步的缓冲作用，主要由踝关节做负功完成。但髋关节却不参与缓冲动作，而在着地后就已经进行蹬伸活动。因此髋关节在支撑阶段的开始就进行促使身体重心前移活动。整个支撑阶段在促进身体前移方面，各关节的活动所引起的作用大致是相同的。但它们发挥作用的动作时相不同。即在支撑阶段的开始及前半时期，髋关节的伸展活动起主要作用；在支撑阶段的后半部分，特别是在蹬伸阶段，膝、踝关节的活动起主要作用。

踝关节结构功能的生物力学特点，对于奔跑能力具有重要的意义。它可以在跑的制动阶段，通过肌腱的弹性形变而存储能量。因此踝关节可利用非代谢能工作，这对于提高蹬地效率和提高跑的效率具有重要意义。

(5)躯干前倾

跑步时向后转动力矩与向前转动力矩相互抵抗，以使人保持平衡。显然跑步时的身体前倾程度取决于向后转动力矩与向前转动力矩的作用结果。当向后转动力矩较大时，可使得它抵抗向前转动力矩的作用加强，跑步时运动员就可采用身体较前倾的姿势。因此跑步时身体的前倾程度及后蹬角的大小，取决于运动员受力条件。如果要用较小的后蹬角，较前倾的姿势进行跑步，必然具有较大的水平分力和向后转动力矩。否则，运动员尽管想加大前倾，较小后蹬角，但实际上运动员仍然以较大的后蹬角与较小的前倾状态进行跑步。