动力学参数的测量方法在线视频

同学们好

前面我们学习了动力学的相关理论

今天我们一起来学习

动力学参数的测量方法

动力学参数涉及力 冲量 力矩

冲量矩 功 功率等等

相应的测量手段也很多

这里主要给大家介绍测力台

足底压力和等速肌力测试系统

我们首先来了解一下三维测力台

人对地的作用力是分析运动的重要参数

其中用得最广泛的就是三维测力台

该系统由测力平台

信号调节放大器和计算机数据采集

与处理装置三大部分构成

目前使用的三维测力台

根据其力传感元件的不同

大致分为两类

一类是压电式测力台

另一类是应变式测力台

压电式测力台以瑞士产的

kistler测力台为代表

这种测力台在四个角上

放置了力传感器

每个传感器是由

三个不同方向切割的石英晶体组成

当受到压力时

晶体会因为压电效应

在上下表面产生电荷

由于电荷量和力的大小成正比

通过对电荷量的测定

就可以得到相应方向力的数值

该数值不仅反应弹性力

还有惯性力

这就是压电式测力台

能更准确的测试动态力

不需要速度或加速度补偿的基本原理

应变式测力台的压力传感器

一般采用电阻应变片

半导体应变片等

各种应变片的作用

都是把非电量的力

变化成应变片的变形

从而使电阻应变片的电阻值

发生相应的变化

电阻应变仪将此电阻转变成为

电压或电流的变化

并进行放大

然后由记录仪记录下来

并转换成力值

两种类型的测力台相比

压电式测力台灵敏度高线性好

固有频率高不容易产生共振

测力范围广

可测定几克力到1000千克力的值

刚性好

石英晶体的弹性系数为钢材的1/2

在外力作用下变形很小

测量动态及冲击力效果较好

例如跳高跳远的踏跳力

但测量静态力效果较差

同时价格相对较高

而应变式测力台量程和固有频率较低

测静态力和准静态力有良好效果

但测试冲击力效果较差

由于体育运动中大量的技术动作

是冲击性的

因此压电晶体式测力台

在科研中应用相对而言更加广泛

测力台测试中常用的力学参数

为不同瞬间的力值力矩作用点等

以kistler压电式测力台为例

四个角上的石英晶体力传感器

分别对XYZ轴方向的作用力敏感

因此每个角均可测量三维力

四个角的三维力进行组合

可计算出总的三维力的大小

方向及作用点

作用点通常称为压力中心

同时还可计算出转矩

三维测力台在设计时已确定了

其坐标的方向

如图所示标注在测力台的中心位置

当外力F作用于测力台上时

能够直接给出的力学参数有

力F在XYZ方向的分量Fx Fy Fz

F相对于 YZ轴的力矩Mx My Mz

扭矩Tz

以及压力中心的坐标Ax Ay

三维测力台可用于测定跳高

跳远等的起跳力

反映运动员的竞技能力

也可以测量完成落地急停变向

等各种动作时人体的受力

用于分析损伤机制

我们先来看一个用测力台

测量原地纵跳时的

地面反作用力的实验

左边是人完成动作的视频

右边是同步采集的垂直方向地面反力

0.5秒之前人静止站立

测得的力与人的重力相等

之后人开始加速下蹲

处于失重状态

地面反力小于重力

随后下肢肌肉向心收缩用力蹬地

地面反力开始增大

离地前快速下降到零

之后腾空

落地撞击地面产生一个很大的冲击力

纵跳高度是评价下肢爆发力

常用的手段

被广泛应用于体能评估

和国民体质测试中

利用腾空时间计算高度的方法最简单

但在着地过程中

受试者的屈膝缓冲动作

容易延长腾空时间

算出的高度大于真实纵跳高度

而我们就可以通过测得的地面反力

时间曲线

计算人从开始下蹲到离地这段时间内

合力相对于时间的积分

根据动量定理就可以计算

离地时刻重心的速度

进而可以求得人纵跳的高度

这样获得的高度就更加准确

下面我们再来看测力台

测得的慢跑时的地面反力

绿色的线是垂直方向的力

呈典型的双峰曲线

两个峰值通常被称作碰撞力峰值

和主动力峰值

红色的是前后方向的力

它为正值时

方向向后是制动力

负值时朝前是推动力

分别对应着下肢的前蹬和后蹬阶段

而碰撞力峰值以及到该峰值的时间

和力的加载率

通常用来评价运动鞋的缓冲性能

测力台还可以测试动作的稳定性

如射击射箭动作的稳定性等

这里就需要用到另一个重要指标

压力中心的位置变化

压力中心是作用在测力台

所有力的合力的位置

这些力依赖于脚的位置

和人的姿态的控制

压力中心既可以用

XY坐标随时间变化的形式呈现

也可以以直观的位置俯视图展示

图中我们可以看到射箭运动员

在日常训练以及比赛条件下

足底压力中心位置变化的俯视图

对比可以发现

比赛竞争条件下

由于紧张动作稳定性下降

导致压力中心轨迹更长

围成的面积更大波动明显

测力台测得的只能是合力

而有时我们还希望知道力的分布情况

常用的分布式压力测量系统

有平板式的还有鞋垫式的

这些设备有的在一个平方厘米的面积上

分布了好几个传感器

将测得的力值

根据大小以不同的颜色显示

颜色越深表示该区域受力越大

目前这一测量方法

在运动鞋的研究已经有广泛应用

不仅可以为运动员设计特定的运动鞋

还可以为病人设计特殊的康复用鞋

比如糖尿病足

在压强高的地方容易造成局部溃烂

通过足底压力测试系统

可以设计足底压强更加均匀的鞋

从而避免病人的脚溃烂

此外

分布式压力测量系统还经常用于座椅

床垫服装的功效学设计上

等速测力系统也广泛应用于体育领域

它可以测试等长或等速情况下

单关节的力矩

等速条件又可以分为

向心收缩和离心收缩两种

采用等速肌力测试系统测试肌力时

仪器所提供的阻力

与肌肉收缩的实际力矩输出相匹配

即整个关节活动中

每一时刻都能承受相应的最大阻力

通过等速测力仪的测试

可以直接得到的主要参数有

峰值力矩功率最大力矩对应的角度等

目前

等速测试已经广泛用于

运动员肌肉力量的评定 训练

和运动器官系统伤病防治与康复上

如股后肌群离心肌力

与股四头肌 向心肌力比值

常被用于预测股后肌群的拉伤风险

我们这节课的内容就到这里

谢谢