力与运动的关系:力是因,运动是果。(第一推力除外)
先介绍一下简化的人体力学体系。如果把人体和球拍归为研究系统(图1中的实心红框内),那么框外的乒乓球9和地面8就是外界环境(忽略空空中动作)。实心红框中人体力学链的0-7环节之间的所有作用都是内力。人体力学系统的上下端与外界环境之间存在两对力/反作用力,即打击力/打击力(9/7)和推力/地面支撑反作用力(8/0)。
牛顿第一运动定律(惯性定律)介绍了力的作用:改变物体的运动状态。(强制“异常”)
当任何物体不受外力或外力合力为零(∑F outside =0)时,它总是保持静止状态或匀速直线运动。物体保持运动状态不变的性质叫做惯性(质量)。力是改变物体运动状态的原因。
把乒乓球代入牛顿第一定律,可以推断出人体站在地上的直接驱动力就是地面反作用力的外力。因为没有外力,人体只能保持静止状态或者匀速直线运动状态,这两种状态显然打不了球。因为人体所有内部肢体(图1中的0到7)之间的相互作用力(力矩)会成对地相互抵消,合力和合力矩都为零,对人体的整体运动没有影响。
推理结果:人体打球需要外力推动。这个外力只能是地面反作用力,因为人体总是站在地面上,从中获得外力。没有外力的帮助(比如吊入空),肌肉的用力根本无法移动身体,更不可能打球。
牛顿第二运动定律(加速度定律)介绍了力的作用:给物体加速度。(力加速)
物体的加速度与物体受到的外力成正比,与物体的质量成反比。加速度的方向与外力的方向相同。公式:f =ma。加速度是外力的瞬间结果,与外力是同期的,利益相同,方向相同,与外力成正比。
将乒乓球代入牛顿第二定律,可以推断地面反作用力(通过下肢)作用于人体,给予人体加速度(大小、方向、次数不同)f =ma。
得到人体加速度,通过时间累加改变速度v=v0+at,动量p=mv,动能ek = 1/2mv 2;速度通过时间累加改变位置和位移s=s0+vt(力矩m,角加速度β,角速度ω,角动量L,角位移δ θ,计算原理也很相似)。
人体每个肢体的运动是同时或相继的。力的瞬时效应是加速度,还有很多累积效应(V,P,S,Ek等。).当一个力消失时,相应的加速度也同时消失。但其累积效应不会同步消失,而是会持续影响。它们会保留下来,并能在人体内传递、积累和叠加(标量或矢量相加)。从下肢、躯干、手臂最后到球拍形成击球力量。
推理结果:地面反作用力给予人体加速度。通过时间积累可以获得积累效应,改变各肢体的运动状态,最终形成打击力量。
3牛顿第三运动定律(作用力与反作用力定律)介绍了力的依赖性。(相互作用力)
说到力,至少涉及两个对象,施加体和接受体。两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,在同一条直线上相互依存。它们具有相同的性质,分别作用于两个物体(比如一个鸡蛋接触一块石头)。它们不是一对平衡力,不能互相抵消,也不能结合。表达式:F =-F # 39;
把乒乓球代入牛顿第三定律,可以推断出地面反作用力是由两条腿的推力引起和产生的,它们是相互反作用力。蹬踏力作用于地面,地面支撑力作用于人体。这两个力大小相等,方向相反,但不能互相抵消。地面反作用力随两条腿的推力而不时变化,但它们的值总是相等的。表达式:f =-F地面支持反作用力。
推腿力是由人体重力和肌肉力量(即两者在地面上的合力)决定的。
如果一个人静止不动,动力学属于平衡态(加速度等于零),运动学属于静态(速度等于零)。一般来说,重力=地面静态支撑力。
b人体加速度向上时,地面支撑反作用力=重力+动态蹬踏力。此时地面对人体的支撑反作用力>:重力(动力蹬踏力向下作用于地面,不作用于人体),人体超重。合力向上,加速度向上。一起人体重心加速,四肢拉伸。
c人体加速度向下时,地面支撑反作用力=重力-动力蹬踏力。这时,地面对人体产生支撑反作用力
推理结果:从数值上看,地面支撑的反作用力始终等于两条腿的推力。当地面反作用力大于、等于或小于重力时,合力会推动人体的运动状态不时发生变化,以满足乒乓球不断变化的需求。
力本身不能传递,但它的作用可以传递。换句话说,一个力本身去不了别的地方,但是可以转化成别的力作用在别的地方。例如,一个超市店员推着一大排购物车。他的初始推力F0可以转换成f1,f2,F3...fn,推每辆车。显然,初始推力F0本身不可能在1的位置,也不可能在2,3的位置...n辆车。但是F0的功能可以传输分发到每一辆车上,所有购物车都可以推广。
力的作用可以在物体之间传递,但需要时间。刚体之间的传导速度最快,效率最高。也可以在非刚体之间传导,但可能有不同程度的缓冲、吸收和延迟。传导越远,效率越低。据资料显示,人体全身力量的传递到达指定位置大约需要300到400毫秒。
推理结果:地面支撑反作用力可以在人体内多阶段传导,直至形成打击力。
5.人体系统的上端向外输出击球力量,同时获得乒乓球对球拍的反作用力。两者大小相等(假设100牛顿),方向相反,时间极短(假设1毫秒)。
来球的重量很轻。被撞后获得很大的向前加速度,高速飞回来。球拍质量大,由人体握持。虽然得到向后加速,但受其影响并不显著,只是球拍的前进速度略有减缓,作用时间极短。
可以看出,虽然力/反作用力大小相等(第一定律),但由于两个受力体的质量相差很大,对两边的影响却大不相同(第二定律)。
把牛顿三大运动定律应用到乒乓球的推理中,结论是:
打乒乓球,人体必须依靠外力,只能是地面反作用力。
地面支撑的反作用力是由人体肌肉力量和地面重力的合力引起的。
3打击力从何而来?两个来源缺一不可:人的肌肉力量是根本来源,地面支撑反作用力是直接来源。地面反作用力可以在人体内多层次传导,直至形成打击力。



