运动疗法的生理学中的力与力矩

运动疗法的生理学与力学基础
力与力矩

一  作用于人体的力

      人体经常受内、外两种力的影响。

（一）内力

      所谓内力是指人体内部各种组织器官相互作用的力。其中最重要的首先是肌肉收缩所产生的主动拉力，是维持人体姿势和产生运动的动力；其次是各种组织器官的被动阻力，包括肌肉、骨、软骨、关节囊、韧带、筋膜等受压力或拉力作用时对抗变形的阻力，躯体的惯性力和内脏器官间的摩擦力及其固定装置（如腹膜、肠系膜、大血管等）的阻力等。

（二）外力

      所谓外力，是指外界环境作用于人体的力。主要的外力有：

1、重力

      因人体或运动器官各节段以及哑铃、重锤等运动器械受万有引力的影响而产生的力，是人体保持直立姿势及运动时必须克服的负荷。其中方向垂直向下，大小与人体及重物质量相等。作用于人体运动器官各节段的重力占体重的百分比是：头部占7%，躯干占43%，单侧大腿占12%，小腿占5%，足占2%，上臂占3%，前臂占2%，手占1%。

2、器械的其它阻力  肢体推动运动器械进行锻炼时，除要克服器械重力外，还需克服器械的惯性力、摩擦力或弹力所产生的阻力，其大小与肢体推力相等，方向相反。

3、支撑反作用力

      在静止状态下，地面或器械通过支撑点作用于人体对重力的反作用力，称为静力支撑反作用力。其大小与重力相同，方向相反。人体作加速度运动时所受的支撑反作用力，还要加上与速度运动力的大小和方向相反的反作用力，称为动力支撑反作用力。

4、摩擦力

      是指人体或肢体在地面上或器械上滑动时所受到的摩擦力。其大小因人体或肢体重量及地面或器械表面质量而异，其方向与运动方向相反。

5、流体作用力

      人体在流体中运动时所承受的流体阻力，称流体作用力。其大小与运动速度、流体密度成正比，故在水中运动受到的阻力较空气中大。但因流体的浮力抵消了大部分重力，故人体在水中运动比较省力。

各种外力经常被利用来作为运动训练的负荷，这种负荷要求肢体运动的方向和力量与之相适应，因而选择投入工作的肌群及其收缩强度，这是肌力训练的方法学理论基础。

二  人体杠杆

      人的躯体运动遵循杠杆原理，各种复杂动作都可以分解为一系列的杠杆运动。运用杠杆原理对运动分析，是运动力学研究的重要途径之一。

（一）有关运动杠杆作用的几个名词

1、支点（F）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。

2、力点（E） 动力作用点称为力点，在骨杠杆上力点是肌肉的附着点。

3、阻力点（W） 阻力在杠杆上的作用点称为阻力点，是指运动节段的重力、运动器械的重力、摩擦力或弹力以及拮抗肌的张力，韧带、筋膜的抗牵拉力等所造成的阻力。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为唯一的阻力点。

4、力臂（d） 从支点到动力作用线的垂直距离，称为力臂。

5、阻力臂（dw） 从支点到阻力作用线的垂直距离，称为阻力臂。
6、力矩（M） 是表示力对物体转动作用的大小，是力和力臂的乘积，即M=E×d.

7、阻力距（Mw） 阻力和阻力臂的乘积为阻力距，即Mw=W×dw.

      力矩和阻力距的作用方向一律用“顺时针方向”和“逆时针方向”来表示。习惯上把顺时针方向的力矩规定为正力矩，逆时针方向的力矩为负力矩。规定正、负之后，几个力矩的合成就可用其代数和来计算。

（二）杠杆的分类

根据杠杆上三个点的不同位置关系，可将杠杆分成三类：

1、第1类杠杆

      又称平衡杠杆，其特征是支点在力点与阻力点中间，如天平和翘翘板等。在人体中这类杠杆较少，如头颅与脊柱的连结，支点位于寰枕关节的额状轴上，力点（如斜方肌、肩胛提肌、头夹肌、头半棘肌、头最长肌等的作用点）在支点的后方，阻力点（头的重心）位于支点的前方（图2-1-1）。此类杠杆的主要作用是传递动力和保持平衡，支点靠近力点时有增大速度和幅度的作用，支点靠近阻力点时有省力的作用。

2、第2类杠杆  
    又称省力杠杆，其特征是阻力点在力点和支点的中间，如一根一端支在地上，向上撬动重物的棍棒。在人体上，这类杠杆极少见，如站立位提跟时以跖趾关节为支点，小腿三头肌以粗大的跟腱附着于跟骨上的止点为力点，人体重力通过距骨体形成阻力点，在跗骨与跖骨构成的杠杆中位于支点和力点之间。这类杠杆力臂始终大于阻力臂，可用较小的力来克服较大的阻力，故称省力杠杆（图2-1-2）。
    又称速度杠杆，其特征是力点在阻力点和支点的中间，如使用镊子。此类杠杆在人体上最为普遍，如肱二头肌屈起前臂的动作，支点在肘关节中心，力点（肱二头肌在桡骨粗隆上的止点）在支点和阻力点（手及所持重物的重心）的中间（图2-1-3）。此类杠杆因为力臂始终小于阻力臂，力必须大于阻力才能引起运动，故不能省力，但可使阻力点获得较大的运动速度和幅度，故称速度杠杆。
       

（三）杠杆原理在康复学中的应用

1、省力

      要用较小的力去克服较大阻力，就要缩短阻力臂或使力臂增长。在人体杠杆中肌肉拉力的力臂一般都很短，人体有一些补偿机制可以使其增大，通过籽骨能增长力臂，如髌骨就延长了股四头肌的力臂。此外，通过肌肉在骨上附着点的隆起、突出等来延长力臂，如股骨大转子就增大了臀中肌、臀小肌的力臂，小转子则增长了髂腰肌的力臂。一个活动多、肌肉强壮的人，其骨骼上的粗隆、结节也较明显，说明运动锻炼不仅能增强肌力，而且能增大力臂来增加力矩。因此，缩短阻力臂或增长力臂同样能够省力，如提重物时，重物越靠近身体越省力，举重提杠铃时的技术关键也是让杠铃尽可能贴近身体。假如杠铃离身体重心12cm时（即阻力臂长12cm）能举起50kg，则杠铃离重心10cm（即阻力臂缩短2cm）时，就能举起60kg的重量。

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，如掷物体、踢球、挥手拍击球等。为使阻力点移动距离和速度增大，就要增长阻力臂和缩短力臂。人体杠杆中大多数虽是第3杠杆，有利于获得速度，但在运动中为了获得更大速度，常要使几个关节组成一个长的杠杆臂，这就要求肢体伸展，如掷铁饼时，就先要伸展手臂。有时甚至要附加延长阻力臂，如利用击球棒和球拍来延长阻力臂。

3、防止损伤

      从上述杠杆原理可知第3杠杆不利于负重和负荷，而人体肌肉杠杆又大都属于第3杠杆，因而可以理解阻力过大易引起运动杠杆各环节，特别是其力点和支点，即肌腱系统和肌肉止点以及关节的损伤。除通过锻炼增强肌肉系统外，应适当控制阻力矩，以保护运动杠杆免受损害。

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