中北大学精品课程 运动的相对性:描述物体运动时选作为参考的物体或物体群叫做参考系

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第二章 人体运动实用力学基础

第一节 人体运动的运动学

任何物体的机械运动都是在一定的空间和时间中进行的。人体和器械的运动也不例外。人体和器械的运动在运功形式上多种多样，千差万别。这种差别主要表现在时间和空间两个主要方面。况且有不少的运动项目就直接用空间距离相的间的长短来标志成绩的优劣。物体的运动在空间和时间答方面所表现出的差异待征称运动学特征。如物体运动的轨迹、路程、位移所描述的即空间特性。物体运动的先后次序，延续时间等特点谓时间特性。运动学特征还包括速度和加速度这一类派生的时空特性，人体运功的运动学任务就是通过位移、速度、加速度等物理量描述和研究人体和器械的位置随的间变化的规律或在运动过程中所经过的轨迹，而不考虑导致人体和器械位置和运动状态改变的原因。

人体运动的运动学研究是以经典牛顿力学理论为基础的。在研究人体运动时，为了突出主要矛盾，需要把人体和器械进行简化处理，即近似地看成质点(具有质量、但可忽略其大小、形状和内部结构而规为几何点的物体。系由实际物体抽象出来的力学简化模型)或刚体（由相互间距离始终保持不变的许多质点组成的连续体。是由实际物体抽象出来的力学简化模型。在运动生物力学中，把人体看作是一个多刚体系统）。但人体的运动有别于非生命体，在研究人体运动时，应尽可能地考虑人的生命特征。这样，才能正确地研究人体的运动。

一、运动的相对性及参考系

(—)运动的相对性

宇宙万物无一不在永恒运动中，不存在绝对不动的物体。从哲学的观点来看，运动是绝对的。

在力学中要对物体的运动进行损进如通常所说的某物静止，某物以多大速度运动，就是对机械运动的描述问题。由于机械运动是物体间相对位置的变化，因此要考察、描述某物体的运动情况，一般总需预先选定一个或若干个物体作参考，观察所研究的物体与这些选定物体相对位置的变化情况。如果相对位置发生了变化，就说该物体是运动的；如果相对位置没有发生变化则认为该物体是静止的。在划船运动中，船和运动员相对岸边的位置不断地发生变化，故说船和运动员相对岸边是运动的。但运动员相对于船来说运动员的位置是不变的，这时可认为他相对于船是静止不动的。由此可见，判断一个物体是运动还是静止是相对而言的。物体的运动取决于参考物体选取的性质叫做运动的相对性。

(二)参考系与坐标系

描述物体运动时选作为参考的物体或物体群叫做参考系(或参照系)。由运动的相对性可知，选择不同的参考系描述同一物体的运动，往往会有不同的结果。所以．在描述物体运动对．需要指明是以什么为参考系的。参考系的选择应根据研究的目的而定。参考系选择得当，可使研究的问题简化。跑常取地面为参考系；体操运动把体操器械作为参考系，为了拍摄记录动作，设置标杆作为参考系；在描述人体某环节的运动时，多选用人体总重心或邻近环节作为参考系。

根据选定的参考系，只能定性地描述物体的运动情况。为了定量地描述物体的位置变化，需要在参考系上标定尺度．以建立坐标系。在体育运动技术的研究中，最常用的是直角坐标系。

直角坐标系分一维、二维和三维三种。一维坐标系用于描述直线运动，只须选取一根坐标轴并确定一个点即可。在计算人体百米跑的分段速率时，人体重心的运动轨迹可近似地看作为直线运动，可取跑道作为坐标轴，起跑点为原点，当物体的运动是平面运动时，应在物体远动的平面上选取两根相互垂直的线X、Y作坐标轴。用X、Y两个坐标值才能确定物体的位置，如要确定跳远运动员重心的运动就需要二维坐标系，即平面直角坐标系，用OXY表示。当物体的运动是立体三维空间的运动，如排球的飘球，球的飞行轨迹是一条空间曲线，则需要相互垂直的并相交于一个原点的三根坐标轴X、Y、Z来确定物体的位置和运动。即立体空间坐标系，用OXYZ表示。

用一架电影摄影机摄影时，我们只能将一个平面(如OXZ面或OYZ面)的动作拍摄下来。因此在研究三维空间的运动时，应用两架摄像机从不同的方应同步地记录其运动特征，然后合并在一个空间直角坐标系OXYZ中去。


在运动生物力学中，还要遇到惯性参考系和非惯性参考系的问题。

惯性参考系，把相对于地球静止的物体或相对于地球做匀速直线运动的物体作为参考标准的参考系叫惯性参考系，又称为静坐标系或静系。如前面提到的跑道、体换器械等。

非惯性参考系：把相对于地球作变速运动的物体作为参考标准的参考系叫非惯性参考系，又叫动参考系或动系。在描述人体运动的局部肢体的运动状态时，往往需要采用这种坐标系，例如，描述游泳运动员手臂划水运动时，就采用动系，坐标系建立在运动的人体上(肩关：拧处)。采用动系后，要考虑物体间的相对运动以及矢量合成问题。

二、人体运动的形式和基本概念

(一)轨迹·路程·位移

1.轨迹

即质点运动的路径。例如，人造地球卫星的运动轨迹为一椭圆。当我们把人体或器械简化为质点来描述其运动时，把代表人体的质点在一定时间内用坐标值确定的位置点连接起来，就是人体或器械某质点的运动轨迹。例如，跳远中，人体总质心的运动轨迹是一条抛物线；体操运动员做单杠向前大回环运动时，其总质心的轨迹是一条近似圆周的曲线；链球旋转时的运动轨迹近似为一椭圆(图2—1)，





2．路程·位移

路程和位移是用来描述物体运动范围的。路程是指物体从一个位置移到另一个位置时的实际运动路线的长度，也是质点运动勃迹的全长。路程只有数值的大小，没有方向，是标量。但是，在很多情况下，不仅需要了解运动的长度，同时也需要了解运动的方向，为了同时表明位置变化的这两个方面通常引入位移这个概念。位移的定义是：其大小等于质点运动的始点到终点的直线距离，其方向由始点指向终点。是矢量。除了直线运动中位移与轨迹重合外，在曲线运动中，位移与曲线一般不重合，因而除了直线运动外，位移的大小并不等于路程，一般小于路程。在田赛中，大多数项目的成绩是以位移的长度来计算的(如投掷项目、跳高和跳远等)。而在径赛中，运动的长度却是按路程来量度的。在一定的路程中，以完成的延续时间宋确定成绩。位移和路程都使用长度单位，如米(m)、千米(km)、和厘米(cm)等。

(二)人体运动的形式

人体运动的形式是多种多样的。如把人体面化为质点，披质点运动的轨迹可分为直线运动和曲线运动。

1．直线运动和曲线运动

(1)直线运动

质点始终在一直线上的运动，质点的运动轨迹是一条直线，则该质点作直线运动。动分为：

①匀速直线运动

质点始终以相等的速度在一条直线上运动，即在任何相等的时间间隔内，质点通过的路程都相等。这种情况在体育运动中不多见。

②变速直线运动

质点作直线运动时，其运动速度是变化的，也就是说在任何相等的时间间隔内，质点通过的路程不相等。体育实践中，变速直线运动的情况比较多见。根据速度变化的情况，变速直线运动又可分为匀变速直线运动和非匀变速直线运动两种。自由落体运动和竖直上抛运动都属于匀变速直线运动。

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