运动生物力学 人体惯性参数.ppt

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1、人体惯性参数人体惯性参数是指人体整体及环节的质量、质心位置、转动惯量及转动半径。应用价值人体惯性参数是建立人体模型，进行人体运动力学及运动损伤与预防方法研究的基础参数。是人类工效学、人类学及人体科学研究的重要组成部分。研究现状由于人体惯性参数在体育、国防工业、医学、康复等领域广泛应用，因此，近百年来人体惯性参数的研究倍受国内外科学工作者的高度关注。目前，我们国家有了自己的人体惯性参数，（郑秀媛，1992）一、质量与转动惯量（一）质量质量是物体含有物质的多少，它是量度平动物体惯性大小的物理量，用以描述物体保持原有远动状态的能力。（二）转动惯量1）定义：转动惯量是量度转动物体惯性大小的物理量，

2、用以描述物体保度转动物体惯性大小的物理量，用以描述物体保持原有转动状态的能力。2）影响转动惯量大小的因素：1、质量2、质量分布3、转轴的位置3）人体转动惯量的特点：可变性（相对于转动轴的取向而言）4）转动惯量的实际计算5）转动惯量的积分表达式回转半径1）概念假设绕某转动轴转动的物体的质量全部集中在离转轴某一距离的一点上，这时它的转动惯量如果恰好与原物体相对此轴的转动惯量相等，则这个距离为回转半径（R），也叫转动半径。2）．用公式表示为：（四）有规则形态物体的转动惯量有规则形态物体是指表面光滑、曲面平整、形体对称的物体，如圆柱、圆台、细棒、矩形薄板、圆球及椭圆等。当上述物体转轴一定时，其转动

3、惯量可用相应转动惯量公式求出（见表3-1）。由此得出，物体依不同转动轴转动时转动惯量不同，即回转半径不同。（五）计算转动惯量使用的几个定理1．平行轴定理物体对某转动轴的转动惯量等于物体对于通过其质心且与该轴平行的转动惯量，加上物体的质量与两平行轴间距离平方的乘积，这就是转动惯量的平行轴定理。由平行定理可知，只要知道物体绕某一转动轴的转动惯量，则物体绕任何与此平行的其他轴的转动惯量均可求出，其绕通过质心的轴转动惯量最小。2．垂直轴定理一个平面刚体薄板对于垂直它的平面轴的转动惯量，等于绕平面内与垂直轴相交的任意两正交轴的转动惯量之和，称为垂直轴定理。表达式:Iz=Ix+Iy3．合成体定理如果某

4、物体是有几个物体组成的联合体，确定绕某一转轴转动，则这一联合体对确定某轴的转动惯量等于每个物体对该轴的转动惯量的代数和。表达式为:IO=IOA+IOB+IOC二、人体惯性参数实测方法一）尸体解剖法1．简介：近百年来，为了测量人体惯性参数，解剖近60例尸体。1860年哈雷斯最早作出了关于人体惯性参数研究的详细报告；1889年布拉温、菲舍尔在人体参数方面进行了重要研究，其结果至今仍作为生物力学分析的基础材料；此后许多研究者先后采用尸体解剖法测量了人体惯性参数。原理：将尸体用干冰结后，按关节转动轴剖切，称出各环节质量，推算各环节相对质量，用物理摆法测定环节质心位置和转动惯量，测定各环节的体积和组

5、织的平均密度。优点：具有一定的准确性，曾在科研领域发挥了重要作用。缺点：样本含量少，它所获得的人体惯性参数缺乏代表性和准确性。二)活体测量法1．重心板法有较大的局限性2．水浸法①浸入法：是将所要测量的环节或整体进入到已盛满水的容器中，然后根据排出水量的多少来确定环节或整体的体积，乘以平均密度得到所测环节或整体的质量，即：环节质量=环节密度*体积。②注入法：是先将所要测量的环节或整体放入已知体积的容器内，然后注入水于容器中，据注入水量计算环节或整体的体积，乘以平均密度得到所测环节或整体的质量。优点：要求设备简单，费用低廉。缺点：只能测量部分环节质量，无法提供质心和转动惯量，且精度相对较底。3

6、．体测量法根据人体环节的外形尺寸将各环节简化成各种几何形体，然后用X射线摄影来确定各环节的肌肉体积和骨骼密度，确定模型中各环节的质量和质心位置。缺点：该样本量小，与人体环节实际形状的差异性较大，误差较大。4、γ射线扫描法（放射线同位素测定法）1978年，苏联扎齐奥尔斯基等人成功地运用γ射线扫描测定了100名男性青年和15名女性青年人体各环节质量、质心位置、转动惯量等惯性参数。优点：材料适应性强，精度高，解决了从人体直接测定人体环节惯性参数问题。5、CT法（X射线断层扫描法）1992年由清华大学、白求恩医科大学、国家体育总局科研所郑秀媛、胡德贵、郑智良、王云德等22位学者，历时7年首次在世界

7、上成功地采用CT技术，对我国男女各50名青年进行了人体惯性参数的系统研究，首次获得了中国成年人的人体惯性参数，结束了我国长期沿用外国人体惯性参数的历史。优点：可信度高、平均相对误差小。三、人体惯性参数模型1、建立人体惯性参数模型的意义：建立人体惯性参数模型一方面可针对某一个体通过体表尺寸计算其各环节的惯性参数，另外可直接利用人体尺寸库的数据测算人体各环节的惯性参数，人体惯性参数模型的建立，对把人体运动的规律研究推进到数学