運動生物力學專題研究

1. 運動生物力學專題研究 林清山 博士

2. 目前國際潮流,無論是政治 .經濟.醫學.教育.體育.競技與電腦科技等,均已邁向精緻分工.運動科學也順著時代潮流而誕生. • 運動生物力學(sports biomechanics)就是運動科學(sports science)中的分支,sports biomechanics名詞的出現來探討人體運動的現象,大約只有四十年的歷史,舉凡訓練量化.場館設施改善.器材更新等均有驚人成就. • 2004雅典奧運勇奪史上最光榮2金2銀1銅. 2005世大運超空前6金2銀4銅(上屆大坵3金3銀5銅)等佳績,科研介入,功不可沒.

3. 目錄 第一章　運動與力學基本概念回顧 第一節　力學基本概念 　　　第二節　運動基本概念 　　　第三節　落體與拋射體 　　　第四節　運動定律

4. 目 錄 第二章　運動生物力學導論 第一節　生物力學（Biomechanics） 第二節　運動生物力學 （Sports biomechanics） 第三節　運動生物力學之研究方法 第四節　如何學習運動生物力學

5. 目 錄 第三章　運動技術定性分析 （Qualitative analysis） 第一節　何謂定性分析？ 第二節　定性分析之步驟 第三節　定性分析之限制

6. 目 錄 第四章　運動技術定量分析 （Quantitative analysis） 第一節　何謂定量分析法？ 第二節　儀器紀錄法 第三節　實驗與誤差 第四節　人體肢段資料之建立 第五節　人體肢段記號位置設定 第六節　運動學資料之計算

7. 目 錄 第五章　動力學專題研究 第一節　動力學文獻選讀 第二節　Gait way儀器操作與實習

8. 目 錄 第六章　運動學專題研究 第一節　運動學文獻選讀 第二節　動作分析系統 儀器操作與實習 （APAS; Kwon 3D)

9. 第一章　運動與力學 基本概念回顧

10. 第一節　力學基本概念 • 長度（length） • 位置，角度 (position: location with respect to a particular reference frame) • 時間（time）(displacement: change in position)（eg: ankle path） • 先後順序、持續性（EMG）

11. 第一節　力學基本概念(續) • 質量（mass） 物體 （mass） 外力 (force) 效應 （displacement） 地心引力 當F1=F2，且m1>m2時，則V2>V1 ∵W=mg，當m1>m2時，W1>W2

12. 第一節　力學基本概念(續) • 力（force） • 外在效應（外力）（external force）－改變物體之運動狀態 • 內在效應（內力） （internal force）－ 改變物體型態 • 大小、方向與施力點任一改變，效應即隨之改變 • 省力與費力（槓桿原理）

13. 第二節　運動基本概念 • 目的：包括下列測量以瞭解與評估運 動現象： • 速度（velocity） • 旋轉（rotation）（角度變化） • 加速度 (acceleration)

14. 第二節　運動基本概念(續) • 速度（velocity）(change in position with respect to time) • 長度性速度：e.g 12分鐘跑走 • 時間性速度：e.g 400公尺 • 瞬時速度：e.g 計速器 • 分速度 e.g 一位短距離跑者之體角為30°，速度為 10m/sec，求其水平與垂直分速度？ 垂 直 速 度 初速度　　　水平速度 （投擲）

15. 第二節　運動基本概念(續) • 速度（velocity） • 平均速度 • 角速度：物體轉動時角位移之時間變率 （θ為弧度，弧度=57.3°）

16. 第二節　運動基本概念(續) • 旋轉（rotation）（角度變化）：作用力沒有通過重心時所產生之運動現象。 （e.g 橄欖球，來福槍） • 身體動作之旋轉（e.g 踝關節路徑） • 運動器具之旋轉 • 原理：旋轉體上某一點之直線速度與該點至旋轉中心的距離成正比。

17. 第二節　運動基本概念(續) • 旋轉（rotation）（角度變化） • 力矩（torque）：T=f×d 為力與力臂之乘積 • 轉動慣量：等於質量與旋轉半徑平方之乘積。（e.g 球拍加重、球桿加長、握棒方式、鏈球、跆拳踢擊…）

18. 第二節　運動基本概念(續) • 加速度(acceleration: change in velocitywithrespect to time)：乃速度變化之能力。 • 正加速度：物體向前推進或移動，愈來愈快。 • 負加速度：向後移動或愈來愈慢。 • 零加速度：不動或等速移動。 • 重力加速度：9.8m/sec2，但因受空氣阻力影響，拋射體向下加速度並非固定。

19. 第二節　運動基本概念(續) • 加速度：乃速度變化之能力。 • 角加速度：角速度之時間變化 • 直線加速度

20. Kinematics Dynamics Kinetics (取自Miller Doris I, Biomechancis of sport ,pp40-63) )

21. 第二節　運動基本概念(續) • 平衡與穩定 • 影響穩定平衡因素 • 重心落在支持基底內 • 基底面大小（投擲迴轉） • 重量（重量上升、穩定上升）但不適敏捷性快速之項目 • 重心高度 • 迴旋（eg 陀螺、腳踏車）

22. 第三節　落體與拋射體 • 落體(垂直拋射運動) • 　　輕而拋射線高的物體因受空氣阻力之影響, 水平速度漸次減慢至零而只剩垂直速度,造成拋射而直線下落之運動現象.

23. 第三節　落體與拋射體(續) • 落體(垂直拋射運動) • 自由下落之物體受牛頓地心引力理論重力加速度之影響，造成物體不斷增加下降之速度。對於判斷物體下落之位置與時間，顯得格外重要。例:球超網高1.2m ,求所能扣球時間為何？（t=0.495sec)

24. 第三節　落體與拋射體(續) • 拋射體 （物體離開地面或支撐點） • 拋物線 • 當空氣阻力不足以影響物體拋射之軌跡（落體）時，該物體便產生一個弧形的軌跡，此種物體移動之路徑，數學上稱為「拋物線」（Parabola）。且該物體受地心引力作用以9.8m/sec2的固定加速度落向地球。 • 運動員對於拋射體飛行路徑之判斷能力可以影響接住或投擲拋射體之技術，但有時運動員本身也是一種拋射體。

25. 第三節　落體與拋射體(續) • 拋射體 • 影響拋射體運動的三個主要變項(自變項) 飛行時間 拋射出手速度、角度高度 e.g 高爾夫球桿長短速度 桿頭擊球面角度 水平距離 最大高度

26. 第三節　落體與拋射體(續) • 拋射體 • 影響拋射體運動的三個主要變項(自變項) • 何者較重要 • 如何預測與推估(regression) .

27. 第三節　落體與拋射體(續) • 拋射體 • 拋射體運動的三個主要變項 影響水平距離之因素為何? 水平距離= Vo^2sin2Q/g Q=tan-1 Vy/Vx

28. 第三節　落體與拋射體(續) • 拋射體 • 拋射體運動的三個主要變項 • 當角度= 90°時可得空中時間最長、高度最高； • 當角度= 45°時，起點高度=落點高度時，可得最遠水平距離； • 當角度> 45°時，起點低於落點，水平距離↑； • 當角度< 45°時，起點高於落點，水平距離↑。 • e.g 棒球傳球與接高飛球之判斷，自外野傳至本壘以彈跳一次就達本壘之球速最快，否則拋物線直接傳回會使空中時間增長（因垂直方向分速度↑）。e.g 跳遠

29. 第四節　運動定律 • 功能 • 用來預測或操控物體未來之運動形式 。 • 慣性定律 • 動者恆動，靜者恆靜，且質量↑慣性↑(T.E=PE+RKE+TKE, M=m v)

30. 第四節　運動定律(續) • 慣性定律 之應用: • 推鉛球 撐竿 急速運(盤)球

31. 第四節　運動定律(續) • 加速度定律 • 力量加諸物體而產生加速度之移動，其活動時之加速度與力量大小成正比（e.g 人力推車）。 外在效應（移動、滑動、滾動…） 力 物體 （骨骼、肌肉） 內在效應（張力、壓力、剪力、扭力…）

32. 第四節　運動定律(續) • 加速度定律 • 加速度於運動上之應用: • 正加速: • 負加速: 標槍 wilson 網球

33. 第四節　運動定律(續) • 反作用力定律 • 作用力與反作用力同時出現，且力量相同、方向相反。 • e.g 跑步速度↑(V=SL*SF)，則著地時間↓，空中時間↑，地面反作用力↓，因此速度無法突破極限（另一為手臂擺動與下肢擺動無法配合）。 步頻加快 屈臂以減小轉動慣量，加快擺臂速度

34. 第四節　運動定律(續) • 反作用力定律 • 影響反作用力之因素: • 表層差異 • 反作用之方向

35. 第四節　運動定律(續) • 討論: 力學理論如何應用在投擲項目上?

36. 第二章　運動生物力 學導論

37. 第一節　生物力學 • 乃結合生物學（biology）與力學（mechanics）而成的一門科學。 • 原本應用於醫學、復健、解剖及太空科學之研究方面，由於針對病患走路之研究，效果頗佳，因此將生物力學的觀念與研究方法應用在人體動作分析上而形成所謂「運動生物力學」（sport biomechanics）。

38. 第二節　運動生物力學 • 乃描寫、分析與評估人體運動時，身體之內在與外在力量，以及這些力量所造成影響的一門學問。亦即根據生物學與力學之觀點與方法來分析評估人體動作，以改善運動技術，提升運動成績為目的。

39. 第二節　運動生物力學(續) • 運動生物力學分為靜力學.動力學. 運動學.材料力學與流體力學等領域,根據研究目的使用儀器也有所不同. • 運動學是研究人體在空間的線性及角位移.速度和加速度的一門學問,最常使用的器材是高速攝影機.動作分析系統和電腦等. • 靜力學與動力學是研究作用於人體或其使用器材的內力及外力的一門科學, 所研究的力包括重力.GRF,最常使用測力板.張力計及加速規等.

40. 第二節　運動生物力學(續) • 主要研究內容有針對肌力（EMG）、運動中各關節活動範圍與模式、地面反作用力、動作分析（motion analysis）與步態分析（gait analysis）、身體活動效率與最佳化動作模式（optimization）之建立等。

41. 第三節　運動生物力學之研究方法 • 運動生物力學之研究著重於分析方法，對運動員之身體及其在時間和空間之姿勢進行定性和定量之評定，並導出造成其差異之原因，進而擬定訓練處方與改進之道。

42. 第三節　運動生物力學之研究方法(續) • 通常運動生物力學之研究方法有下列種類： • 直接觀察 • 視覺之觀察乃最早期之研究方法，雖無法獲得正確而客觀之數據，但亦可作為體育教學與運動訓練之參考依據（定性分析）。

43. 第三節　運動生物力學之研究方法(續) • 身體測量（anthropometry） • 測量身體建立各肢段之重量、體積、密度、重心、位置、轉動貫量等資料→進一步分析身體重心位置與各關節應力之相關情形。包括有直接測量法、屍體解剖法、反應力板法、浸水法、攝影法與數學模式法等。

44. 第三節　運動生物力學之研究方法(續) • 身體測量（anthropometry） • 目的: 測量身體重心 • 原理:力矩平衡原理 單肢段 雙肢段 參肢段 多肢段

45. 第三節　運動生物力學之研究方法(續) • 時間分析 • 目的：瞭解人體或肢段在各段距離間 行進之速度變化情形。 • 儀器: 分段計時器 • 例如: 測量跳遠助跑最後十公尺之四 步速度變化情形

46. 第三節　運動生物力學之研究方法(續) • 攝影分析（cinematography analysis） • 目的：將人體活動之過程紀錄下來，以進行更多、更精確、更客觀之人體活動分析，乃最廣泛被使用之研究方法。 • 工具：高速攝影機（e.g peak 5）、錄影帶、監控器、Trigger（同步儀）與數位化軟體、座標比例尺等。

47. 第三節　運動生物力學之研究方法(續) • 攝影分析（cinematography analysis） 座標比例尺: 進行座標值與實際值之轉換, 將數位化座標與實際長寬之 比例 ,建立線性關係, 比如: 水平軸H=AX+B 垂直軸V=AY+C

48. 第三節　運動生物力學之研究方法(續) • 角度測量器（electro goniometry）分析 • 目的：分析人體關節在活動過程中變化之 情形。 • 工具：角度測量器、擴大器（amplifier）、 示波器（oscilloscope）。 • 方法：將角度測量器置於關節中心位置， 並且固定其兩軸於相鄰肢段之縱軸 上，使得角度器之兩軸隨肢段之活 動而改變其角度測量值。

49. 第三節　運動生物力學之研究方法(續) • 肌電圖（electromyography , EMG）分析 • 目的：測量人體肌肉在運動過程中的 肌肉電位變化情形，以了解人 體不同部位肌肉參與之強度、 時間順序與相互之合作關係， 以作為運動技術分析之重要資 料來源。

50. 第三節　運動生物力學之研究方法(續) • 肌電圖（electromyography , EMG）分析 方法: 電極法 • 實例: 跑步各階段各主要肌群之EMG