[科普中国]-人体静力学

人体静力学是借助静力学的原理和方法研究人体运动的科学，是体育科学和静力学之间的交叉学科。主要研究人体静力学主要讨论人体在完成静力性动作, 即处于相对静止的姿势( 或者平衡状态) 时的受力情况, 获得平衡和维持平衡的力学条件。所谓平衡条件是指作用于人体的各种力不改变人体运动状态的条件，即决定各种可能的平衡位置的条件。康复治疗对象的问题主要是运动障碍，其平衡功能的恢复对其身体姿势的保持、意外摔伤的预防和全身运动功能的恢复至关重要，不仅要恢复他们的坐位和立位的自动态和他动态的静态平衡，还要恢复其行走、从事各种医疗体操、健身和家务劳动等活动中的动态平衡。

静力学基力的概念是静力学的基本概念之一。经验证明，力对已知物体的作用效果决定于：力的大小(即力的强度)；力的方向；力的作用点。通常称它们为力的三要素。力的三要素可以用一个有向的线段即矢量表示。

凡大小相等方向相反且作用线不在一直线上的两个力称为力偶，它对任用平面内任一点之矩与矩心位置无关，其大小为力乘以二力作用线间的距离，即力臂，方向由右手螺旋定则确定并垂直于二力所构成的平面。

力作用于物体的效应分为外效应和内效应。外效应是指力使整个物体对外界参照系的运动变化；内效应是指力使物体内各部分相互之间的变化。对刚体则不必考虑内效应。静力学只研究最简单的运动状态即平衡。如果两个力系分别作用于刚体时所产生的外效应相同，则称这两个力系是等效力系。若一力同另一力系等效，则这个力称为这一力系的合力。静力学的全部内容是以几条公理为基础推理出来的。这些公理是人类在长期的生产实践中积累起来的关于力的知识的总结，它反映了作用在刚体上的力的最简单最基本的属性，这些公理的正确性是可以通过实验来验证的，但不能用更基本的原理来证明。

力的平行四边形法则作用在物体上同一点的两个力，可合成一个合力，合力的作用点仍在该点，其大小和方向由以此两力为边构成的平行四边形的对角线确定，即合力等于分力的矢量和。合力的大小和方向也可通过力三角形法得到。即自任一点O以和为两边作力三角形，第三边即所求。平行四边形法则是力的合成法则，也是力的分解法则。

二力平衡公理作用在刚体上的两个力，使刚体平衡的必要和充分条件是：两个力的大小相等，方向相反，作用线沿同一直线。只在两力作用下平衡的刚体称为二力体或二力构件。当构件为直杆时称为二力杆。

加减平衡力系公理在已知力系上加或减去任意平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用。由此公理可导出下列推理：

推理1 力的可传性 作用在刚体上某点的力，可沿其作用线移动，而不改变它对刚体的作用。由此可知，力对刚体的作用决定于：力的大小、方向和作用线。在此，力是有固定作用线的滑动矢量。

推理2 三力平衡汇交定理 当刚体受到同平面内不平行的三力作用而平衡时，三力的作用线必汇交于一点。

作用与反作用定律两物体间的相互作用力，大小相等，方向相反，作用线沿同一直线。

刚化公理变形体在某一力系作用下处于平衡时，如将其刚化为刚体，其平衡状态保持不变。

人体平衡平衡动作的定性分析根据平衡物体中心与支撑点的位置关系，平衡种类分为：

（1）上支撑平衡：支撑点在重心上方的平衡。如体操中的各类悬垂动作。

（2）下支撑平衡：支撑点在中心下方的平衡。如手倒立、单杠的分腿骑撑。

（3）混合支撑平衡：即非完全上支撑，又非完全下支撑平衡，如肋木侧身平衡。

根据平衡的稳定程度把人体平衡分为4种：

（1）稳定平衡：去除破坏平衡力的作用后可恢复平衡。其特点是当偏离平衡位置时，重心升高，产生的重力矩使物体向平衡位置运动。

（2）不稳定平衡：去除破坏平衡力的作用后不可恢复平衡。其特点是偏离平衡位置时，重心降低，产生的重力矩使物体继续倾倒。仅在下支撑平衡动作出现。

（3）有限度的稳定平衡：去除破坏平衡力的作用后仅能在有限的范围内恢复平衡。其特点是在一定限度内的偏离平衡位置时，人体重心升高，产生的重力矩使人体向平衡位置移动，最终恢复平衡。

（4）随遇平衡：不管什么位置下都能平衡。其特点是偏离原来位置时，重心高度不变，不产生使物体位置移动的重力矩。

影响人体平衡的因素从生理学角度上，年龄、性别、神经控制能力、肌肉力量、身体状态（特殊疾患）、药物使用、运动疲劳等都会对人体平衡产生影响。从力学角度上看，人体而言，不稳定平衡和随遇平衡很少出现，稳定平衡仅出现在上肢悬垂中，所以大多数平衡情况出现在下支撑的有限平衡过程中。主要影响因素有（1）支撑面大小（2）重心高低（3）稳定角：重心垂直投影线和重心与支撑面边缘相应点连线的夹角，即物体在某一方向上的稳定程度的判定指标。（4）平衡角：某方向上的稳定角之和。（5）稳定系数（K）（6）稳定力矩与翻倒力矩的比值（7）质量的大小：质量越大，稳度越大；反之则小（8）摩擦力的大小：摩擦力越大，稳度越大；反之则小（滑冰易摔倒、足球要穿钉鞋等）。

人体平衡的特点人体是受高级神经活动控制的杠杆系统。它不仅可以保持平衡，而且在平衡遭到破坏时还能恢复平衡。（1）人体不能处于绝对静止的状态。人体在维持平衡的过程中，不可能是绝对静止的。呼吸系统和血液循环的存在造成了人体总重心在一定的范围内波动，肌肉的张力在任何时候都不可能恒定，因此身体姿势的维持不可能严格的不变。（2）人体内力在维持平衡中的作用。在某些静力性姿势中，维持平衡的不仅仅是重力和支撑反作用力。而是由重力矩与肌肉和韧带的拉力矩共同维持的，如体操的平衡动作。（3）人体的补偿动作。人体在完成或维持静力姿势的过程中，当人体重心发生偏移有失去平衡的倾向时，人体能借助于补偿动作在一定范围内“中和”或“抵消”重心的不适宜移动。（4）人体具有自我控制、调节和恢复平衡的能力。人体不仅能维持平衡，在有失去平衡的趋势时，通过视觉和本体感觉，在大脑皮质的控制调节下，通过肌肉收缩造成平衡的力学条件，恢复和维持平衡。这种平衡能力，通过训练可以不断加强，能够完成一些但从力学角度来看是非常困难的平衡动作。（5）人体平衡受心理因素影响。（6）人体平衡动作消耗肌肉的生理功能。从力学角度看，静止状态不能引起机械功，因为力的作用没有引起任何位移，刚体的平衡不消耗能量。然而，人体的平衡离不开肌肉的收缩作用，必消耗一定生理能，长时间的平衡，能量消耗增多，肌肉出现疲劳会使人体控制平衡的能力降低。

人体重心人体全部环节所受到的重力的合力的作用点叫做人体重心。人体是由头、躯干、上臂、前臂、手、大腿、小腿、足等多个环节组成。每个环节都受到重力的作用，各有自己的重心，这些环节的重心是组成这些环节的每一微小部分的重力合力的作用点，如头的重心、躯干重心、上臂重心等等。人体全部环节（整个人体）所受重力的合力的作用点就叫做人体重心或人体总重心。人体重心并不特指身体上某一个固定点，它的位置是一个随机变量，随着呼吸、消化、血液循环等生理过程的进行，在一定范围内移动。在人体运动中，由于身体姿势的变化，重心位置也随之变化，这种变化对运动技术动作的影响较大。

人体重心测量方法

（1）录像解析法

该方法通常采用人体通用模型（统计假设的人体模型），通过摄像机拍摄、图像采集及图像按人体关节点进行人工数值化处理、再通过计算机计算后获得。该检测方法存在明显的缺点：一是检测周期长（1d），二对同一个动作，采用不同人体模型所测出的重心位置最大会有5cm以上的差距，精度差；对相同身高而不同体形的个体，重心位置的高低很难进行区分，缺少个性化，所以基本不能用来直接自动精确测量。

（2）测力台法

人体站立在测力台上，用测力台可以测出两个脚（或单脚站立时的一个脚）的压力中心，但人体运动不剧烈时，人体重心位置可以认为等于测力台上的压力中心。该方法的缺点，一是受测力台尺寸限制，只能做人体站立姿态的重心测量，不能做卧姿下的重心测量；二是只能测出静态及不太剧烈的运动下人体重心位置的测量。

（3）重心板（一维或二维）实测静态人体的重心位置

1）一维重心板法

①传统的一维重心板法。采用一个磅称、一块木板，通过磅秤读数，然后通过计算得到重心位置。该法不但设备简陋、检测精度低，而且只能检测人体重心的高低（一维方向），应用的局限性很大。特别在a体育运动方面，大多数专项运动员通过长期、大强度的训练与比赛，会造成两侧肢体的不对称性；b模拟运动专项中的动态动作时，躯干的弯曲及四肢的侧向伸展等，所造成人体重心位置的侧向平移，很难在一维重心板上体现与测量出来。另外，其体积庞大（长度在2.5m左右），存放与运输都十分不便。②现代的一维重心板。现代的一维重心板是在传统的一维重心板的基础上，用电子秤加上单片机。“全部的公式已固化在其中，所以可以直接从重心仪上读到人体重量和质心的读数”。这项由清华大学体育与健康研究中心研制成功的“一维重心板”，由于初步具备了（半）自动检测的能力，因此适合“大量的测试工作”。

2）二维重心板法

二维重心板能在纵向和侧向两个方向反映人体重心位置，特别适合专业运动员的测试及体育运动动作的描述。①三支点二维重心板。三支点二维重心板一般采用等边三角形面板。该类重心板的优点是支点个数少，理论推导相对简单，但缺点是a稳定性差；b动作伸展的幅度受到限制。由于“稳定性差”的缺点是比较致命的，所以虽然有一些理论推导，并被用做人体重心位置变化规律理论研究的实验设备，但是很少有人采用此方法做人体活体实测研究。②四支点二维重心板。此方法也是如今国际上较为流行的测试人体重心位置的方法。该方法解决了三支点二维重心板“稳定性差的缺点”。