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标  题: [身边的力学]漫谈人体的运动——刘延柱
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Jun 10 14:58:20 2005), 站内

漫谈人体的运动

刘延柱
 

人体是个复杂的大系统


    生命离不开运动，人类的一切活动都离不开运动，竞技场上奥运健儿们的运动更是牵动着亿万人的心。与无生命的物体不同，人体的运动是受意识控制的运动，虽然也遵循力学普遍规律，但却具有特殊的复杂性。从动力学研究的观点出发，这种特殊性可以归纳为：

（1）人体的“硬件”是由有限个部件用关节联结成的骨骼系统。

（2）各相邻部件之间存在肌肉联系，可施加作用力以改变相对运动状态。

（3）肌肉作用力受神经中枢“软件”的控制。因此，人体是由骨骼、肌肉和神经三个子系统构成的复杂大系统。除了各部件的机械运动以外，各相邻部件之间的肌肉控制力矩，感觉器官接收的输入信息和传递给肌肉的输出信息等都是比机械运动数量大得多的未知变量。它们的变化规律已超出了经典力学的研究范围。
 

    经典力学有用武之地吗？

    由伽里略、牛顿奠基的经典力学发展至今已经达到尽善尽美的程度。宇宙万物的宏观运动无不可用经典力学解释，当然也应包括人体的运动在内。问题在于按经典力学普遍原理列出的动力学方程的数目远小于未知变量的数目。在这些未知变量中，引起困惑的肌肉收缩力和神经信息不是经典力学的研究对象，也难以被运动者本身感知，只有肌肉活动所引起的后果，即相邻部件的相对位置变动可以被感知和控制。体操运动员做一个高难动作时，他只关心手臂或腿的位置是否正确，不会去想关节上应加多大的肌肉收缩力或传递多大的神经脉冲。只要不追究肌肉施力的生物物理过程，并且假定运动者对肌肉的控制机能足够健全，人的主观意志就能通过肢体的相对运动体现出来。将相对运动规律作为附加的约束条件列出，就能从经典力学微分方程解出躯干运动的变化规律。这种研究方法十分有效，可以正确地解释人体运动和指导体育实践。


    猫的翻身与运动员的腾空

    猫的空中翻身与动量矩守恒原理的矛盾使人困惑不解，流行一时的挥尾巴解释也由于无尾猫转体实验成功而宣告无效。细致观察可以发现，猫在翻转过程中前半身相对后半身作方向相反的圆锥运动，使总动量矩保持为零。引入这种相对运动的计算结果与摄影记录完全吻合。

    与猫的翻身类似，跳远运动员在空中向下挥臂能使双足抬高而改善成绩；宇航员利用双臂或双腿的协调动作能改变在空间中的方位。现在已能编制出人体腾空运动的仿真软件，作为体操、跳水和技巧运动员完成高难动作的计算机辅助工具。
 

    单杠上的自激摆动

    悬挂在单杠上的运动员是一个复摆，但依靠收腹、屈臂和鞭打的联合动作能使稳定的平衡状态变为不稳定，产生振幅愈来愈大的摆动。这种称作振浪的体操动作是一种典型的自激振动。运动员根据自身摆动的位置控制肢体的动作。将这种协调关系写成约束条件，从动力学方程解出摆动规律，从而可以说明，正确的振浪动作使摆幅增大，错误动作反使摆动衰减。


    直立的人体为何不倒

    直立的人体是一个倒置的复摆，若不加控制是典型的不稳定平衡。人一旦感觉到重心有向一侧偏移的趋势，就立刻控制足底支承力的作用点向同一侧移动，同时向另一侧做弯腰动作以维持平衡。将这种协调动作写作约束条件，可以分析出，由不稳定平衡如何转变为平衡。由于重心水平运动的动力来自足底的静摩擦，因此受到地面能够提供的最大静摩擦力的限制。为保证控制作用有效，站立过程中重心的地面投影不得越出以支承足为中心的一个椭圆域，域的大小与地面摩擦系数成正比。在光滑的冰面上人容易摔倒是因为这个椭圆域缩小到接近于零的原因。


    怎样保持步行稳定

    人的步行是更复杂的运动。由于是单足支承，重心在地面上的投影经常越出足底与地面的接触面，不能像爬虫缓慢爬行那样随时满足静平衡条件（图1）。因此人的步行稳定性是一个动态过程，主要依靠足底摩擦力来保证，向前踏地时，摩擦力朝后，向后蹬地时摩擦力朝前的客观规律恰好满足稳定性的要求。在地面上围绕支承足也可作出幅度与摩擦系数成正比的椭圆域。重心的地面投影必须保持在域内才能保证实现稳定步行。要使步行能连续进行，左、右足的椭圆域必须连通。因此跨步的距离必须受到限制，地面愈粗糙容许的步距愈大。田径运动员穿上钉子鞋就能大步奔跑，因为鞋底与地面的摩擦明显增强了。
 

    人怎样才能离地

    人体从受地面约束到腾空状态的转变依靠起跳运动实现。当足底的法向支承力消失，且重心具有垂直向上的速度时，人体就能解除地面约束。因此正确的起跳动作是从下蹲状态向上伸展肢体，使重心的垂直运动先加速后减速。加速的目的是积累离地速度，减速的目的是减小法向支承力。当负加速度与重力加速度相等时，支承力减小为零，人体离地跳起。肢体的伸展主要受膝关节的控制，因此，膝关节转角可作为起跳运动的控制变量。对运动员来说，最大跳跃高度是衡量跳跃质量的优化目标，由离地速度确定。要提高离地速度，起先必须用大力蹬地以获得最大的起始伸展速度。但随后的制动过程必须缓慢，因为过快的制动将使解除约束过早发生，致使人体尚未积累足够的垂直速度即离地跳起而影响成绩。

    与跳跃运动相反，竞走运动必须避免支承足离地面的犯规动作。由于解除约束是由重心的垂直加速度引起，因此运动员在步行过程中必须力图避免重心上下波动，从而形成了竞走运动员独特的扭臀动作。
 

    骑自行车的力学

    虽然自行车是最普及的交通工具，但是自行车运动的原理至今尚未完全弄清楚。自行车是受人控制的机械，若不考虑人的主观因素，会得出自行车稳定性只与车速有关，即车速太慢太快都会引起不稳定的错误结论。实际上，众所周知，自行车是否稳定完全取决于驾车人的技术。当驾车人感觉到车架向一侧倾斜时，会立刻控制车把使前叉朝同一侧转动。将这种控制规律作为自行车运动方程的补充条件进行计算，结果表明，所谓驾车技术完全是由控制规律体现的。选择适当的控制参数就能使自行车稳定。除了把手以外，人的腰部动作是另一个控制因素，所以，高明的驾车人双手脱把也能骑好车。

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