人體靜力學

人體靜力學是藉助靜力學的原理和方法研究人體運動的科學，是體育科學和靜力學之間的交叉學科。主要研究人體靜力學主要討論人體在完成靜力性動作, 即處於相對靜止的姿勢( 或者平衡狀態) 時的受力情況, 獲得平衡和維持平衡的力學條件。所謂平衡條件是指作用於人體的各種力不改變人體運動狀態的條件，即決定各種可能的平衡位置的條件。康復治療對象的問題主要是運動障礙，其平衡功能的恢復對其身體姿勢的保持、意外摔傷的預防和全身運動功能的恢復至關重要，不僅要恢復他們的坐位和立位的自動態和他動態的靜態平衡，還要恢復其行走、從事各種醫療體操、健身和家務勞動等活動中的動態平衡。

基本介紹

• 中文名：人體靜力學

靜力學基

力的概念是靜力學的基本概念之一。經驗證明，力對已知物體的作用效果決定於：力的大小(即力的強度)；力的方向；力的作用點。通常稱它們為力的三要素。力的三要素可以用一個有向的線段即矢量表示。

凡大小相等方向相反且作用線不在一直線上的兩個力稱為力偶，它對任用平面內任一點之矩與矩心位置無關，其大小為力乘以二力作用線間的距離，即力臂，方向由右手螺旋定則確定並垂直於二力所構成的平面。

力作用於物體的效應分為外效應和內效應。外效應是指力使整個物體對外界參照系的運動變化；內效應是指力使物體內各部分相互之間的變化。對剛體則不必考慮內效應。靜力學只研究最簡單的運動狀態即平衡。如果兩個力系分別作用於剛體時所產生的外效應相同，則稱這兩個力系是等效力系。若一力同另一力系等效，則這個力稱為這一力系的合力。靜力學的全部內容是以幾條公理為基礎推理出來的。這些公理是人類在長期的生產實踐中積累起來的關於力的知識的總結，它反映了作用在剛體上的力的最簡單最基本的屬性，這些公理的正確性是可以通過實驗來驗證的，但不能用更基本的原理來證明。

力的平行四邊形法則

作用在物體上同一點的兩個力，可合成一個合力，合力的作用點仍在該點，其大小和方向由以此兩力為邊構成的平行四邊形的對角線確定，即合力等於分力的矢量和。合力的大小和方向也可通過力三角形法得到。即自任一點O以和為兩邊作力三角形，第三邊即所求。平行四邊形法則是力的合成法則，也是力的分解法則。

二力平衡公理

作用在剛體上的兩個力，使剛體平衡的必要和充分條件是：兩個力的大小相等，方向相反，作用線沿同一直線。只在兩力作用下平衡的剛體稱為二力體或二力構件。當構件為直桿時稱為二力桿。

加減平衡力系公理

在已知力繫上加或減去任意平衡力系，並不改變原力系對剛體的作用。由此公理可導出下列推理：

推理1　力的可傳性 作用在剛體上某點的力，可沿其作用線移動，而不改變它對剛體的作用。由此可知，力對剛體的作用決定於：力的大小、方向和作用線。在此，力是有固定作用線的滑動矢量。

推理2　三力平衡匯交定理 當剛體受到同平面內不平行的三力作用而平衡時，三力的作用線必匯交於一點。

作用與反作用定律

兩物體間的相互作用力，大小相等，方向相反，作用線沿同一直線。

剛化公理

變形體在某一力系作用下處於平衡時，如將其剛化為剛體，其平衡狀態保持不變。

人體平衡

平衡動作的定性分析

根據平衡物體中心與支撐點的位置關係，平衡種類分為：

（1）上支撐平衡：支撐點在重心上方的平衡。如體操中的各類懸垂動作。

（2）下支撐平衡：支撐點在中心下方的平衡。如手倒立、單槓的分腿騎撐。

（3）混合支撐平衡：即非完全上支撐，又非完全下支撐平衡，如肋木側身平衡。

根據平衡的穩定程度把人體平衡分為4種：

（1）穩定平衡：去除破壞平衡力的作用後可恢復平衡。其特點是當偏離平衡位置時，重心升高，產生的重力矩使物體向平衡位置運動。

（2）不穩定平衡：去除破壞平衡力的作用後不可恢復平衡。其特點是偏離平衡位置時，重心降低，產生的重力矩使物體繼續傾倒。僅在下支撐平衡動作出現。

（3）有限度的穩定平衡：去除破壞平衡力的作用後僅能在有限的範圍內恢復平衡。其特點是在一定限度內的偏離平衡位置時，人體重心升高，產生的重力矩使人體向平衡位置移動，最終恢復平衡。

（4）隨遇平衡：不管什麼位置下都能平衡。其特點是偏離原來位置時，重心高度不變，不產生使物體位置移動的重力矩。

影響人體平衡的因素

從生理學角度上，年齡、性別、神經控制能力、肌肉力量、身體狀態（特殊疾患）、藥物使用、運動疲勞等都會對人體平衡產生影響。從力學角度上看，人體而言，不穩定平衡和隨遇平衡很少出現，穩定平衡僅出現在上肢懸垂中，所以大多數平衡情況出現在下支撐的有限平衡過程中。主要影響因素有（1）支撐面大小（2）重心高低（3）穩定角：重心垂直投影線和重心與支撐面邊緣相應點連線的夾角，即物體在某一方向上的穩定程度的判定指標。（4）平衡角：某方向上的穩定角之和。（5）穩定係數（K）（6）穩定力矩與翻倒力矩的比值（7）質量的大小：質量越大，穩度越大；反之則小（8）摩擦力的大小：摩擦力越大，穩度越大；反之則小（滑冰易摔倒、足球要穿釘鞋等）。

人體平衡的特點

人體是受高級神經活動控制的槓桿系統。它不僅可以保持平衡，而且在平衡遭到破壞時還能恢復平衡。（1）人體不能處於絕對靜止的狀態。人體在維持平衡的過程中，不可能是絕對靜止的。呼吸系統和血液循環的存在造成了人體總重心在一定的範圍內波動，肌肉的張力在任何時候都不可能恆定，因此身體姿勢的維持不可能嚴格的不變。（2）人體內力在維持平衡中的作用。在某些靜力性姿勢中，維持平衡的不僅僅是重力和支撐反作用力。而是由重力矩與肌肉和韌帶的拉力矩共同維持的，如體操的平衡動作。（3）人體的補償動作。人體在完成或維持靜力姿勢的過程中，當人體重心發生偏移有失去平衡的傾向時，人體能藉助於補償動作在一定範圍內“中和”或“抵消”重心的不適宜移動。（4）人體具有自我控制、調節和恢復平衡的能力。人體不僅能維持平衡，在有失去平衡的趨勢時，通過視覺和本體感覺，在大腦皮質的控制調節下，通過肌肉收縮造成平衡的力學條件，恢復和維持平衡。這種平衡能力，通過訓練可以不斷加強，能夠完成一些但從力學角度來看是非常困難的平衡動作。（5）人體平衡受心理因素影響。（6）人體平衡動作消耗肌肉的生理功能。從力學角度看，靜止狀態不能引起機械功，因為力的作用沒有引起任何位移，剛體的平衡不消耗能量。然而，人體的平衡離不開肌肉的收縮作用，必消耗一定生理能，長時間的平衡，能量消耗增多，肌肉出現疲勞會使人體控制平衡的能力降低。

人體重心

人體全部環節所受到的重力的合力的作用點叫做人體重心。人體是由頭、軀幹、上臂、前臂、手、大腿、小腿、足等多個環節組成。每個環節都受到重力的作用，各有自己的重心，這些環節的重心是組成這些環節的每一微小部分的重力合力的作用點，如頭的重心、軀幹重心、上臂重心等等。人體全部環節（整個人體）所受重力的合力的作用點就叫做人體重心或人體總重心。人體重心並不特指身體上某一個固定點，它的位置是一個隨機變數，隨著呼吸、消化、血液循環等生理過程的進行，在一定範圍內移動。在人體運動中，由於身體姿勢的變化，重心位置也隨之變化，這種變化對運動技術動作的影響較大。

人體重心測量方法

（1）錄像解析法

該方法通常採用人體通用模型（統計假設的人體模型），通過攝像機拍攝、圖像採集及圖像按人體關節點進行人工數值化處理、再通過計算機計算後獲得。該檢測方法存在明顯的缺點：一是檢測周期長（1d），二對同一個動作，採用不同人體模型所測出的重心位置最大會有5cm以上的差距，精度差；對相同身高而不同體形的個體，重心位置的高低很難進行區分，缺少個性化，所以基本不能用來直接自動精確測量。

（2）測力台法

人體站立在測力台上，用測力台可以測出兩個腳（或單腳站立時的一個腳）的壓力中心，但人體運動不劇烈時，人體重心位置可以認為等於測力台上的壓力中心。該方法的缺點，一是受測力台尺寸限制，只能做人體站立姿態的重心測量，不能做臥姿下的重心測量；二是只能測出靜態及不太劇烈的運動下人體重心位置的測量。

（3）重心板（一維或二維）實測靜態人體的重心位置

1）一維重心板法

①傳統的一維重心板法。採用一個磅稱、一塊木板，通過磅秤讀數，然後通過計算得到重心位置。該法不但設備簡陋、檢測精度低，而且只能檢測人體重心的高低（一維方向），套用的局限性很大。特別在a體育運動方面，大多數專項運動員通過長期、大強度的訓練與比賽，會造成兩側肢體的不對稱性；b模擬運動專項中的動態動作時，軀幹的彎曲及四肢的側向伸展等，所造成人體重心位置的側向平移，很難在一維重心板上體現與測量出來。另外，其體積龐大（長度在2.5m左右），存放與運輸都十分不便。②現代的一維重心板。現代的一維重心板是在傳統的一維重心板的基礎上，用電子秤加上單片機。“全部的公式已固化在其中，所以可以直接從重心儀上讀到人體重量和質心的讀數”。這項由清華大學體育與健康研究中心研製成功的“一維重心板”，由於初步具備了（半）自動檢測的能力，因此適合“大量的測試工作”。

2）二維重心板法

二維重心板能在縱向和側向兩個方向反映人體重心位置，特別適合專業運動員的測試及體育運動動作的描述。①三支點二維重心板。三支點二維重心板一般採用等邊三角形面板。該類重心板的優點是支點個數少，理論推導相對簡單，但缺點是a穩定性差；b動作伸展的幅度受到限制。由於“穩定性差”的缺點是比較致命的，所以雖然有一些理論推導，並被用做人體重心位置變化規律理論研究的實驗設備，但是很少有人採用此方法做人體活體實測研究。②四支點二維重心板。此方法也是如今國際上較為流行的測試人體重心位置的方法。該方法解決了三支點二維重心板“穩定性差的缺點”。