第一节　基础术语与概念

一、运动学描述基本概念

（一）参考系

物体运动具有相对性，对任何一个物体进行运动状态的描述时必须参照另一个物体。因此，在描述物体运动状态时，必须首先选择某物体或物体群作为参照，这个被选定的参考物体就叫作参考系（reference system）。通常我们将相对于地球静止或相对于地球做匀速直线运动的参考系称为惯性参考系，相对于地球做变速运动的参考系称为非惯性参考系。对于同一物体，其运动状态可因所选参考系的不同表现出不同的运动形式。

（二）人体力学模型

1.质点模型　质点模型是一种抽象的简化模型，这种模型只有质量而没有尺寸，当物体的形状和大小对所研究问题没有显著影响时，就可以将物体看作质点。比如在测量人体步行速度时，如果不考虑肢体摆动，就可以将人体看作质点。

2.刚体模型　刚体模型也可看作一种简化的模型，这种模型的物体没有形状的变化，当物体的变形对所研究问题没有影响时，便可将此物体看作刚体，比如在进行人体肢体摆动研究时，肌肉的收缩、血液流动都会导致肢体形状发生一定的变化，但这种微小的变形不会对肢体运动的描述产生大的影响，为了方便描述，这时可以将肢体看作刚体。

3.质点系模型　质点系模型比质点模型和刚体模型具有更加广泛的应用价值，它不但可以描述刚体的运动特征，也可以描述多刚体系统内部的相对运动。质点系模型可分为全质点系模型和简化质点系模型，全质点系模型把物体内的各点看作可做相对运动的点，简化质点系模型把物体分成n个内部无相对运动的区域。在人体运动的相关描述中，简化质点系模型的应用十分广泛。汉纳范建立的由15个刚体构成的人体模型即为简化质点系模型，其将人体分为15个内部无相对运动的刚体（即将人体分为15个相对运动的环节）（图2-1-1）。

（三）运动的分类

1.直线运动和曲线运动　若将物体看作质点，按照质点的运动轨迹，运动轨迹为直线的运动称为直线运动，否则为曲线运动。在曲线运动中，物体的运动方向始终在变化，圆周运动为典型的曲线运动。

2.平动、转动和振动　若将物体看作刚体，运动过程中，不论运动轨迹是直线还是曲线，如果物体上各点的位移、速度和加速度都相同，这样的运动叫作平动；若运动过程中，各点都围绕同一直线做圆周运动，这样的运动叫作转动；如果物体以一点为中心在一定范围内做往复运动，这样的运动叫作振动。

二、人体运动描述

人体运动不同于其他物体，若将人体看成多刚体环节的复合体，任何运动的产生都源于多环节相互协调配合。同时，运动过程中身体姿势时刻发生着变化，所以，对人体运动状态的描述具有一定的复杂性和特殊性。

（一）人体的基本轴和面（图2-1-2）

轴和面是人体运动描述中常用的术语，人体有无数个面和轴。根据实际需要，可设计互相垂直的三个基本轴，分别是冠状轴、矢状轴、垂直轴，在以上三个轴的基础上，延伸出三个基本面，即矢状面、冠状面和水平面。

1.基本轴　①垂直轴：是指上自头侧，下至尾侧并与地平面相垂直的轴；②矢状轴：是指从腹侧面至背侧面，同时与垂直轴呈直角交叉的轴；③冠状轴：为左右方向与水平面平行，与前两个轴相垂直的轴。

2.基本面　①水平面：又称横切面，是指与地平面平行，与矢状面和冠状面相互垂直，将人体分为上、下两部的平面；②冠状面：是指左、右方向，将人体分为前、后两部的纵切面，该切面与水平面及矢状面互相垂直；③矢状面：是指前后方向，将人体分成左、右两部的纵切面，该切面与地平面垂直。经过人体正中的矢状面称为正中矢状面，它将人体分成左右相等的两半。

（二）人体运动形式

人体运动是多种运动形式的综合，具有复杂性。在分析人体运动时，将复杂的运动分解为几种基本运动，有助于分析和理解。上肢、下肢及全身运动都具有各自特征。

1.上肢基本运动形式　由上肢各关节共同完成，包括推、拉、鞭打。①推：在克服阻力时，上肢由屈曲态变为伸展态的动作过程，如胸前传球；②拉：在克服阻力时，上肢由伸展态变为屈曲态的动作过程，如游泳；③鞭打：在克服阻力或自体位移时，上肢各环节依次加速、制动，使末端环节产生极大速度的动作形式，叫鞭打动作，如标枪投掷。

2.下肢基本运动形式　包括缓冲、蹬伸和鞭打。①缓冲：在克服阻力时，下肢由伸展状态转为较为屈曲状态的动作过程，如跳远落地前动作；②蹬伸：在克服阻力时，下肢由屈曲状态主动转为伸展状态的动作过程，如跳远起跳时起跳腿的动作；③鞭打：在完成自由泳的两腿打水动作时，下肢各环节有类似上肢的鞭打动作。

3.全身运动形式　包括摆动、躯干扭转和相向运动。①摆动：身体某一部分完成主要动作（如一条腿的起跳）时，另一部分配合主要动作进行加速摆动（如双臂和另一条腿配合起跳的摆动）动作形式，称为摆动；②躯干扭转：在身体各部位完成动作时，躯体上下肢沿身体纵轴的反向转动的运动形式；③相向运动：依据运动形式，把身体两部分相互接近或远离的运动形式称为相向运动。

三、描述人体运动的基本物理量

（一）时间参数

一切物体的运动都是在时间维度中进行的，在描述人体的空间位置变化与规律时，往往要涉及与时间的对应关系，这时要使用适当的时间参数。常用的时间参数有“时刻”和“时间间隔”两个概念。

1.时刻　可抽象为时间参考系上的一个点，用t表示。

2.时间间隔　是两个时刻之间的一段时间，是时间参考系上的一个区间，用Δt表示，Δt=t2-t1。

（二）空间参数

用以描述人体位置改变及其身体姿态位置的主要内容，包括运动轨迹、路程与位移、关节角度与角位移等。

1.运动轨迹　指将人体或某环节简化为质点模型进行相关分析时，质点的运动路线，如进行人体步态分析时，通过对人体质心运动轨迹的研究，可对步行速度、步行稳定性等进行分析。

2.路程与位移　路程与位移是用来描述物体运动位置变化的重要物理量。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，也就是运动点的轨迹长度S。路程只有数值的大小，没有方向，是标量。位移是指运动点的始点到终点的直线距离，其方向由始点指向终点ΔX，是矢量（图2-1-3）。位移和路程的单位有米（m）、千米（km）和厘米（cm）。国际单位制中用米作为位移、路程的单位。

3.关节角度与角位移　身体姿态变换是通过关节角度变化实现的。所谓关节角度是指构成关节的两环节长轴，以关节转动中心为顶点所形成的角度。角位移是指转动物体经过Δt时间所转过的角度。通常规定，从转轴的正方向看，物体逆时针转动角位移为正，顺时针转动角位移为负。角位移常用单位是度、弧度（rad）、周等。

（三）时空参数

人体运动描述中，在对人体空间位置进行描述的同时引入时空参数。参考运动时间因素，体现人体运动的快慢，通常以速率和速度反映线性运动快慢，用角速度反映转动角运动快慢。

1.速率　速率是路程与通过这段路程所经历的时间之比。用公式计算的速率是运动体通过路程（ΔS）的平均速率。

2.速度　速度是位移与通过这段位移所经历的时间之比，公式中的箭头表示该物理量是矢量。

3.角速度　物体在单位时间内转过的角度称角速度，通常用ω表示。设物体在Δt时间内角位移为Δφ，那么物体转动的快慢可用平均角速度来描述。角速度的单位为“弧度/秒”，角速度的方向由右手法则确定。

4.加速度　速度变化量Δv与所经历的时间Δt的比值，体现了此段时间内运动速度的变化率。加速度单位是“米/秒2”（m/s2）。

5.角加速度　角加速度是指转动体在单位时间内角速度的变化量。角加速度的单位为“弧度/秒2”，非国际单位制中也可用“度/秒2”。

通常用加速度和角加速度反映人体运动变化程度。

四、生物力学基本概念

（一）力

力是物体间的相互作用的表现，用F表示，单位为牛顿（N）。力具有三个特性：大小、方向、作用点。人体运动的产生及运动状态的改变都要受力的作用，若把人体看作力学系统，则人体受力可分为内力和外力，两种因素共同作用于人体。

外力是外界通过物理方式作用于人体的力。人体在运动中所受的外力主要有重力、支撑反作用力、摩擦力、流体阻力等，在康复训练中，常使用外力作为负荷；内力则是人体内部各组织器官间的相互作用力，人体运动中常见的内力有肌肉收缩对骨的拉力、各组织器官间的被动阻力、各内脏器官的摩擦力等，各种内力相互适应、相互协调，使人体运动达到最佳状态，并不断抵抗外力以适应人体活动的需要。

（二）力矩、力偶和力偶矩

力矩亦称为“转矩”，单位为牛顿·米（N·m），表示力对物体作用时产生转动效果的物理量。物体受力绕某点或定轴转动时，力的转动效果除了取决于力的大小和方向外，还取决于所绕定点或定轴到力的作用线的距离（图2-1-4）。力F在垂直转轴OZ平面内，O是平面内的任一点，d是从O点到力F作用力的垂距（称为力臂），则F对于O点的力矩是F与d的乘积，以M表示，则有Mo=F·d=F·r·sinα。

通常认为，力使物体绕点或轴转动，从轴的正面看，力使物体按逆时针方向转动时，力矩为正；力使物体按顺时针方向转动时，力矩为负。

同轴力矩的合成遵循代数加法，即：∑M=M1+M2+…+Mn。不同轴的力矩不可加。

大小相等、方向相反、作用力互相平行但不重合的两个力作用在物体上，物体同样会产生转动，这对力称为力偶。如汽车司机用双手转动方向盘所施加的力就是一个力偶。力偶可以产生单纯的转动效应。

力偶的转动效能用力偶矩评价：M=F×L

力偶的重要性质：①力偶无合力，其在任一轴上投影的代数和为零；即力偶不能用一个力来代替，它是一个不能合成的特殊力系。②只要保持力偶矩不变，可以相应地改变其力和力偶臂的大小，而对物体的作用效应不变。③力偶对物体的作用与矩心无关，即它对平面上任一点的矩保持不变，并且就等于力偶矩，故可以在不改变力偶矩的条件下，可将力偶在平面内任意移动。

五、人体运动杠杆原理

人体很多关节肌肉均符合杠杆原理，杠杆包括支点、阻力点和力点。支点是指杠杆绕着转动的轴心点，在肢体杠杆上，支点是关节的运动中心。动力作用点称为力点，在骨杠杆上力点是肌肉的附着点。阻力杠杆上的作用点称为阻力点。阻力由运动阶段的重力、运动器械的重力、摩擦力、弹力以及拮抗肌的张力、韧带和筋膜产生的抵抗牵张力等组成。它们在一个杠杆系统中的阻力作用点只有一个，即全部阻力的合力作用点。

从支点到动力作用线的垂直距离称为力臂（d），从支点到阻力作用点的垂直距离，称为阻力臂（dw），肌力矩（M）是肌肉的拉力形成的力矩，阻力矩（Mw）为阻力和阻力臂的乘积。

根据杠杆上三个点的位置不同，可将人体运动杠杆分为平衡杠杆、省力杠杆、速度杠杆三类。①平衡杠杆，支点在力的作用点和重力作用点之间，如头部的仰头和俯首运动；②省力杠杆重力作用点在支点和力的作用点之间，如行走时提起足跟的动作，这种杠杆可以克服较大的体重；③速度杠杆，力的作用点在重力作用点和支点之间，如肘关节的活动，这种活动必须以较大的力才能克服较小的重力，但运动速度快、活动范围大。

杠杆原理的应用：①省力，要用较小的力去克服较大阻力，就要使力臂增长或缩短阻力臂，在人体杠杆中肌肉拉力的力臂一般都短，可以通过籽骨、肌肉在骨骼上附着点的隆起等来延长力臂；提重物时，使重物靠近身体可以缩短阻力臂而省力。②获得速度，许多动作不要求省力，而要求获得较大的运动速度和运动幅度，如投掷、踢球等，为使阻力点移动的幅度和速度增大，就要增加阻力臂和缩短力臂。③防止损伤，从杠杆原理可知速度杠杆一般不能省力，而人体骨骼与肌肉组成的杠杆大多属于速度杠杆，所以阻力过大的时候，容易引起运动杠杆各环节，特别是其力点和支点，即肌腱、肌止点以及关节的损伤；除通过训练增强肌力以外，还应适当控制阻力及阻力矩，以保护肌杠杆。

（祁　奇）