简明运动生物力学中的动量定理和动量矩定理

动量定理和动量矩定理是动力学的普遍定理之一。动量定理是物体动量的增量等于它所受合外力的冲量(所有外力的冲量的矢量和),即

F(t2-t1)=mv2-mv1

人体环节运动多为绕关节的转动。动量矩定理给出刚体的动量矩与冲量矩之间的关系,刚体动量矩的增量等于它所受到的合外力矩的冲量矩,即

M(t2-t1)=Jω2-Jω1

在动力学问题的研究中,人们通常关心的是力的累积效应,而不是力的瞬时效应。在运动过程中,任何力的作用都有一定的时间,都是外力连续作用的结果。例如,推铅球,运动技术的核心是最后用力阶段,在其他因素相同的情况下,我们关心不是最后用力阶段某一时刻的瞬时力值和瞬时加速度的大小,而是铅球最后出手时初速度v0的大小,也就是说动量累积改变的多少。

(一)增加冲量可以增加人体或器械的运动速度

由动量(矩)定理可知,为了使人体或器械获得较大的速度(角速度),通常需要增大作用力(矩)并延长力的作用时间。

1.使原动肌充分拉长

在完成动作时,人体环节通常先向相反的方向运动。为了提高动作主动收缩肌肉的爆发式用力,在动作最后发力前先预先拉长原动肌使其处于适宜初长度,肌肉先进行离心收缩,紧接着转为向心收缩的工作形式,即超等长收缩。例如,标枪投掷前预先拉长胸大肌、肱三头肌等主要原动肌的“超越器械”动作,足球大力踢球时大腿预先后摆拉长髂腰肌等的动作。

影响超等长收缩爆发式用力效果的因素有:①肌肉离心收缩时弹性能量的产生和储存、向心收缩时储存的弹性势能的再利用程度;②运动神经中枢对肌肉的调节作用。肌肉弹性能量的产生是由肌肉的牵拉速度和长度决定的,弹性势能的利用由离心—向心收缩的耦联时间决定的。超等长训练的实质是充分发展肌肉弹性势能的产生、储存与转换及再释放能力,并提高运动神经中枢对“拉长—缩短”周期的反射性调控的作用,建立较高的牵张反射,形成在中枢神经系统支配下的肌肉正确用力顺序。

2.延长肌力的工作距离(www.xing528.com)

工作距离是力对抛射体作用的距离,并不是抛射体运动的距离。根据功的公式W=Fd,在肌力作用达到足够大时,增加肌力的作用距离(工作距离),可以延长肌力对人体或器械的作用时间,达到增大冲量,提高抛射体抛出的初速度的目的。如运动中的预备动作、反向动作、游泳中的“S”形划水等。

3.使通过工作距离的时间越短越好

由于运动环境(或规则规定)及身体形态结构的限制,工作距离是有限的。如掷铁饼时,规则限制只能在一个投掷圈内做动作,运动员就用旋转来增大工作距离。根据功率的定义(W是肌力做的功,d是肌力的工作距离,F是肌肉收缩力,v是肌肉收缩速度),应该让抛射体通过工作距离的时间越短越好,即抛射体在工作距离的时间内加速度越大越好,这也是爆发力的概念,最后使获得的抛射体初速度增加。

但是肌肉收缩力和肌肉收缩速度呈非线性的反相关关系,即力量的增大以速度的减小为代价,在运动过程中,增大肌力和延长力的肌力的作用时间是互相矛盾的。在技术上通常采用的方法是:在保证肌肉发挥最大力量的同时,通过延长肌力的工作距离来延长肌力的作用时间。如超越器械动作、反向动作等。

4.肌肉活动顺序性的原理及合理配合的原则

为了使末端环节获得最大速度,应遵循肌肉活动顺序性的原理,即一般由近端环节的大肌群首先活动,然后依次让较远端环节的肌肉活动直至肢体末端环节的肌肉活动为止,符合“大关节带动小关节活动”运动顺序理论。肌肉的这种活动顺序性增大了运动幅度和速度,而且由于每一个运动神经元支配的肌纤维数量逐渐减少,也增加了肢体运动的准确性,还保证了远端环节肌肉在收缩前的适度拉长。

研究表明,有些运动中各不同环节动作之间的时间间隔非常小,通常不到0.1 s,如鞭打动作;有些动作是配合性动作,如摆动动作,通常是作为整体动作的配合部分来完成的,其动作的质量很大程度上决定了整个动作完成的效果,在做动作时各环节的合理配合十分必要并且要精确。熟练的动作可在“低意识控制”下完成,即出现动作自动化。动作自动化出现后,中间神经元可引起支配对抗肌的α-运动神经元的抑制效应,使肌肉之间的工作配合更加协调,多余的动作会减少,动作连贯,提高工作效率,节省能量;让原动肌的肌力用于主要动作上;减小使抛射体减速的各种阻力。

(二)减小冲量可以减小人体或器械的运动速度

运动中若想使运动的人体或器械停下来,为了减小外界或器械对人体的冲击力,需要延长力的作用时间。在人体动量变化一定的情况下,延长力的作用时间,可以减小外界对人体或环节的冲击力。例如,各种落地缓冲动作,前脚掌着地,并迅速过渡到全脚掌,同时伴有屈膝、屈髋和伸踝的动作,以延长脚与地面相互作用的时间,进而减小地面冲击力对人体可能造成的伤害。又如,用手接高速飞行的篮球时,在手接球的同时屈肘回收,顺势接球,可延长手与球的接触时间,从而减小球对手的冲击作用。体操用的海绵垫、跳高用的海绵包、拳击用的手套、跳远用的沙坑等,都是利用器械来延长力的作用时间以减小对人体的冲击力,避免损伤。