运动生物力学人体惯性参数省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

人体惯性参数 人体惯性参数是指人体整体及步骤质量、质心位置、转动惯量及转动半径。第1页应用价值 人体惯性参数是建立人体模型，进行人体运动力学及运动损伤与预防方法研究基础参数。是人类工效学、人类学及人体科学研究主要组成部分。第2页研究现实状况 因为人体惯性参数在体育、国防工业、医学、康复等领域广泛应用，所以，近百年来人体惯性参数研究倍受国内外科学工作者高度关注。当前，我们国家有了自己人体惯性参数，（郑秀媛，1992）第3页一、质量与转动惯量（一）质量 质量是物体含有物质多少，它是量度平动物体惯性大小物理量，用以描述物体保持原有远动状态能力。（二）转动惯量 1）定义：转动惯量是量度转动物体惯性大小物理量，用以描述物体保度转动物体惯性大小物理量，用以描述物体保持原有转动状态能力。第4页 2）影响转动惯量大小原因：1、质量 2、质量分布 3、转轴位置 3）人体转动惯量特点：可变性（相对于转动轴取向而言）4）转动惯量实际计算 5）转动惯量积分表示式 第5页回转半径 1）概念 假设绕某转动轴转动物体质量全部集中在离转轴某一距离一点上，这时它转动惯量假如恰好与原物体相对此轴转动惯量相等，则这个距离为回转半径（R），也叫转动半径。2）用公式表示为：第6页（四）有规则形态物体转动惯量 有规则形态物体是指表面光滑、曲面平整、形体对称物体，如圆柱、圆台、细棒、矩形薄板、圆球及椭圆等。当上述物体转轴一定时，其转动惯量可用对应转动惯量公式求出（见表3-1）。由此得出，物体依不一样转动轴转动时转动惯量不一样，即回转半径不一样。第7页（五）计算转动惯量使用几个定理 1平行轴定理 物体对某转动轴转动惯量等于物体对于经过其质心且与该轴平行转动惯量，加上物体质量与两平行轴间距离平方乘积，这就是转动惯量平行轴定理。第8页由平行定理可知，只要知道物体绕某一转动轴转动惯量，则物体绕任何与此平行其它轴转动惯量均可求出，其绕经过质心轴转动惯量最小。第9页 2垂直轴定理 一个平面刚体薄板对于垂直它平面轴转动惯量，等于绕平面内与垂直轴相交任意两正交轴转动惯量之和，称为垂直轴定理。表示式:Iz=Ix+Iy 第10页3合成体定理 假如某物体是有几个物体组成联合体，确定绕某一转轴转动，则这一联合体对确定某轴转动惯量等于每个物体对该轴转动惯量代数和。表示式为:IO=IOA+IOB+IOC 第11页二、人体惯性参数实测方法 一）尸体解剖法 1介绍：近百年来，为了测量人体惯性参数，解剖近60例尸体。1860年哈雷斯最早作出了关于人体惯性参数研究详细汇报；1889年布拉温、菲舍尔在人体参数方面进行了主要研究，其结果至今仍作为生物力学分析基础材料；今后许多研究者先后采取尸体解剖法测量了人体惯性参数。第12页原理：将尸体用干冰结后，按关节转动轴剖切，称出各步骤质量，推算各步骤相对质量，用物理摆法测定步骤质心位置和转动惯量，测定各步骤体积和组织平均密度。优点：含有一定准确性，曾在科研领域发挥了主要作用。缺点：样本含量少，它所取得人体惯性参数缺乏代表性和准确性。第13页二)活体测量法 1重心板法 有较大不足 2水浸法 浸入法：是将所要测量步骤或整体进入到已盛满水容器中，然后依据排出水量多少来确定步骤或整体体积，乘以平均密度得到所测步骤或整体质量，即：步骤质量=步骤密度*体积。第14页 注入法：是先将所要测量步骤或整体放入已知体积容器内，然后注入水于容器中，据注入水量计算步骤或整体体积，乘以平均密度得到所测步骤或整体质量。优点：要求设备简单，费用低廉。缺点：只能测量部分步骤质量，无法提供质心和转动惯量，且精度相对较底。第15页 3体测量法 依据人体步骤外形尺寸将各步骤简化成各种几何形体，然后用X射线摄影来确定各步骤肌肉体积和骨骼密度，确定模型中各步骤质量和质心位置。缺点：该样本量小，与人体步骤实际形状差异性较大，误差较大。第16页4、射线扫描法（放射线同位素测定法）1978年，苏联扎齐奥尔斯基等人成功地利用射线扫描测定了100名男性青年和15名女性青年人体各步骤质量、质心位置、转动惯量等惯性参数。优点：材料适应性强，精度高，处理了从人体直接测定人体步骤惯性参数问题。第17页5、CT法（X射线断层扫描法）1992年由清华大学、白求恩医科大学、国家体育总局科研所郑秀媛、胡德贵、郑智良、王云德等22位学者，历时7年首次在世界上成功地采取CT技术，对我国男女各50名青年进行了人体惯性参数系统研究，首次取得了中国成年人人体惯性参数，结束了我国长久沿用外国人体惯性参数历史。优点：可信度高、平均相对误差小。第18页三、人体惯性参数模型 1、建立人体惯性参数模型意义：建立人体惯性参数模型首先可针对某一个体经过体表尺寸计算其各步骤惯性参数，另外可直接利用人体尺寸库数据测算人体各步骤惯性参数，人体惯性参数模型建立，对把人体运动规律研究推进到数学化、计算机化，助进体育科学研究水平深入提升都含有现实意义。第19页2模型可靠性：1）模型几何体组成；2）各步骤几何尺寸确实定；3）步骤质量分配采取回归方程。3模型建立历史及现实状况 哈雷斯（1860）、康尔维奇（1962）、专特瑟特（1963）等采取几何图形来模拟人体步骤模型。1964年汉纳范（美）人体模型。第20页 钱德勤惯性参数。1978年苏联扎齐奥尔斯基和谢鲁扬诺夫惯性参数 1992年清华大学郑秀媛中国人体惯性参数模型。第21页 人体步骤质心和人体质心 一、人体步骤划分 两种步骤划分法：1、以功效为依据，分隔步骤切面且经过关节转动中心，并以两关节中心连线确定为步骤长度（德国、美国）。2、以传统尸体解剖法为依据，依骨性标志把人体划分为若干步骤（日本、苏联、中国）第22页二、人体步骤关节点判定（一）判定与确定人体步骤关节点基础 1）理论基础：运动解剖学、运动生物力学、运动技术原理、人体惯性参数模型及影像分析模型知识理论。第23页 2）方法 1）在标准人体骨架图上标出关节转动中心位置，并找出其与骨性标志关系。2）在人体体表轮廓图上对应位置，标出关节转动中心位置，并找出其位置与体表及骨性标志关系。3）依据体表图谱上各关节转动中心标志点，确定其与周围解剖结构、形态学标志关系，并由此归纳出人体步骤关节点位置判断与确定标准和方法 第24页（二）确定关节转动中心标准与方法 1、确定关节转动中心标准 关节点应是关节瞬时转动中心；关节中心必须位于两步骤纵轴交点处；参考骨性体表标志；关节点位置应与所引发步骤惯性参数测量方法相一致。第25页2、关节转动中心确定方法（1）手：腕关节中心至手质心连线为手步骤纵轴。（2）腕关节：尺骨茎突高度水平线中点或腕横纹中点。（3）肘关节：肘横纹中心（前面观），尺骨鹰嘴隆起高度中心（后面观）。（4）肩关节：三角肌发达，显著隆起，关节中心确定在球心；如不发达，确定在球心稍上位置。第26页（5）躯干：躯干纵轴由两肩关节连线中点至两髋关节连线中点间连线表示。（6）髋关节：位于大转子顶高度。（7）膝关节：股骨外上髁（或内上髁），或髌骨中点高度。（8）踝关节：腓骨外踝隆起处（外侧观），胫骨内踝下缘（内侧观）。第27页 三、人体步骤质量及步骤质心 1、相关概念 步骤绝对质量：是指各步骤质量。步骤相对质量：是指各步骤绝对质量 与人体质量之比。步骤质心：是指步骤质量中心。步骤质心相对位置：是指该步骤质心上部尺寸占本步骤全长百分比。第28页 2、我国人体步骤质量分布与国外差异 与外国存在显著差异。我国男性头颈步骤相对质量较大，而躯干、上肢及小腿相对质量偏底；女性比欧美人除大腿外，其它肢体均小，与苏联人相比，则头颈和躯干偏大，四肢偏小。我国人体步骤质心相对位置与外国人差异更为显著，质心位置更能反应种族差异。第29页 四、人体质心测量原理与方法（一）人体总质心位置：位于第二骶椎所在水平面上（立姿）。卧姿向头部移动约1%。（二）影响原因：性别、年纪和体型及运动专题差异；直立与卧姿差异；质心矢状面和额状面相对位置未测定；人体姿势改变。第30页（三）人体质心测量方法：直接测量法；间接测量法。（四）人体质心测量原理 直接测量原理：协力矩原理。间接测量原理：经过一定方法对人体进行实测，测试数据经统计学处理，得出人体步骤相对质量、步骤质心相对位置等惯性参数及相关回归方程，对质心位置进行推算。第31页人体转动惯量测量原理与方法 一、人体转动惯量及其可变性 人体转动惯量能够用刚体转动惯量定义和公式，但因为人体 质量随呼吸、血液循环改变及身体姿势（受中枢神经控制）改变而产生改变，须考虑其可变性，所以，对人体某一姿势转动惯量计算或测量，只能说明某一瞬间情况。第32页二、人体转动惯量测量原理与方法 物理摆法、双悬点扭摆法、三悬点扭摆法、四悬点扭摆法、旋转法、振动法、图片计算法、数学模型法等。第33页作业：1、什么是人体转动惯量？试举体育实例说明影响转动惯量大小原因有哪些？2、试述人体步骤关节点判定方法以及确定关节转动中心标准并标出腕关节、肘关节、肩关节、髋关节、膝关节、踝关节等关节转动中心 位置？第34页3、体重60KG运动员，直立姿势时，对质心 额状轴转动惯量为10.10千克.每平方米分别求以下两种情况下对转轴转动惯量和回转半径。a、单杠腹回环。设人体质心 到单杠垂直距离为0.2米。b、单杠大回环。设人体质心 到单杠垂直距离为1.1米。第35页