第三節 運動學基礎

一、運動技能及其形成

（一）運動技能的分類

在體育運動中，存在著多種運動技能，分類的依據不同，則其分類的方法也會不同。根據不同的分類方法，運動技能分為連續性技能、序列性技能和非連續性技能，封閉技能和開放技能等。其基本內容如下：

1．連續技能、非連續技能和序列性技能

根據運動開始和結束的特定位置，可以將運動技能分為連續性、非連續性運動技能和序列性運動技能。

（1）連續性運動技能

連續性運動技能沒有明顯的開始和結束，并且一般由重復性技能構成，如跑步、游泳、騎自行車等。其主要的特征是運動持續時間較長，動作具有一定的周期，而且動作是一個重復的過程。

（2）非連續性運動技能

非連續性運動技能則有明確的開始和結束，一般由簡單動作構成，如投擲標槍、跳遠、投籃、攔截傳球等。這類運動技能多由突然爆發的動作組成，持續時間相對較短，動作一般是非周期式的，各環節之間重復較少。

（3）序列性運動技能

序列性運動技能是由多個非連續性運動技能按照一定順序組合而成的系列技能。大多數技能都屬于這一類，如三級跳遠、跨欄和跳高等。這里的“序列”意味著動作是由多個動作組成的，各環節之間的節奏是獲得成功的關鍵。這類技能的學習需要經過分解練習，從單個動作到整體動作，最后形成一定的動作體系。

2．封閉性與開放性運動技能

根據在運動過程中運動技能對環境的依賴程度來劃分，可將運動技能分為封閉性運動技能和開放性運動技能。

（1）封閉性運動技能

封閉性運動技能主要依靠運動者的肌肉、肌腱、關節等感受器所介入的反饋來調節，它包括游泳、跑步、籃球的罰球、體操等。在進行該類技能的練習和獲得時，環境特征和技能的程序基本是固定的，個體可以有充分的時間去完成技能，要求動作盡可能準確、穩定。學習這種動作技能的關鍵在于反復練習，直到達到標準的模式和自動化程度為止。

（2）開放性運動技能

一種運動技能的完成主要依賴于周圍環境提供的信息，而正確感知周圍環境成為運動調節的重要因素時，這種技能就叫開放性運動技能，如乒乓球、網球、籃球中的傳球、足球的搶截球、拳擊等。該方面運動技能的獲得需要運動者具有正確的處理和認識外界的變化，以及高度的隨機應變能力和預見能力。在運動過程中，運動者需要及時根據對手變化確定和實施動作方式，在集體項目中，還要參照同伴的情況進行決策和行動。

（二）運動技能形成的過程

人隨意運動的生理機理是以大腦皮質活動為基礎的肌肉活動。大腦皮質動覺細胞可與皮質所有其他中樞建立暫時性神經聯系，學習和掌握運動技能，其生理本質就是建立運動條件反射的過程。運動技能的形成是一個相互聯系、相互交錯、和諧統一的過程，這一過程主要分為泛化過程、分化過程、鞏固過程以及自動化過程四個階段。

1．泛化過程

在運動訓練中，練習者進行訓練所引起的刺激傳入大腦皮層各有關中樞。因這時大腦的分析功能還不夠精確，因而主要表現為動作僵硬、不協調，從而出現多余的動作，能量消耗多而有效動作少，對于動作時機的掌握也不夠準確。

2．分化過程

隨著練習者學習的不斷深入，在掌握了一定的運動技能后，其大腦皮層運動區的興奮、抑制過程在時空上的分化也日趨完善。在這樣的條件下，運動訓練泛化過程中的表現開始逐漸消失，并進一步形成運動動力定型。但由于欠缺一定的穩定性，因而在外界因素的干擾下，這種動力定型容易遭到破壞，練習者在訓練中仍然會出現一定的錯誤動作。

3．鞏固過程

練習者通過反復的練習后，逐漸形成了一定的動力定型，這種動力定型也逐漸得到鞏固，因而練習者的動作也更加精確、協調與省力，技術動作錯誤也很少出現，甚至某些環節也能夠在脫離意識的控制下完成，這就是所謂的初步形成自動化。一般來說，動作的初步自動化條件中，運動者運動技能的形成不會受到大的干擾，其技術技能開始走向成熟。即便是在不利條件下，運動的形成也不至于遭到破壞。

4．自動化過程

在經過以上幾個過程之后，練習者掌握了相關的運動技能，運動的技巧運用水平上了一個新的臺階，這就是所謂的自動化過程。自動化是運動者技能形成的重要階段，在這一階段中，當運動者練習某一套動作時，可以在脫離基本意識的條件下自動完成整個動作。

二、人體運動的基本形式

在對人體的運動進行研究時，經常將其分為質點運動和剛體運動兩方面。具體如圖2-3所示。

（一）直線運動和曲線運動

1．直線運動

直線運動是人體或器械始終處在一條直線上的運動，即質點運動的軌跡是一條直線。在人體運動中，很少存在純粹的直線運動，只有近似的直線運動。一般將直線運動分為變速直線運動和勻變速直線運動。前者是指運動的質點始終處在一條直線上，并且在相等時間內通過的路程相等，如步行、慢跑等，人體的重心可視為勻速直線運動；后者主要是指人體在進行運動時，相等時間內速度變化量相等，其有時間速度坐標圖表示，則為一條斜線。

2．曲線運動

將人或器械作為質點，則其運動的軌跡對選定的坐標系來說，是一條曲線，這被稱為曲線運動。曲線運動時，速度的大小、方向、加速度發生變化時，需要強調其各物理量的矢量性。曲線運動較多，如足球的飛行軌跡、人體起跳騰空后在空中的軌跡等。

（二）平動、轉動和復合運動

1．平動

如果在運動過程中，剛體上任意兩點的連線保持平行，而且長度不變，那么這種運動就叫作平動。例如，輪滑運動中的姿勢維持階段。剛體平動時，可視為質點運動，分為曲線平動和直線平動。

2．轉動

轉動是物體繞著一個固定點或固定轉軸做旋轉運動，如髖關節和肩關節的旋內、旋外等。人體各種簡單的走、跑、跳等運動都是各環節繞關節軸轉動而實現的，因此，人體各關節的轉動是人體運動的基礎。

3．復合運動

復合運動是相對較為復雜的運動，其不是單純的平動或轉動，而是包括身體重心的平動以及肢體其他部位繞重心的轉動。

三、人體運動的力

力是物體間的相互作用，當力作用于物體時，會產生一定的效應。力可以使得物體發生加速度、形變等方面的變化。作用于物體的力進行研究時，其三要素分別為力的大小、力的方向以及力的作用點。

作用于物體的力的大小不同，則會產生不同的效果。在很多運動項目中，人體力量的大小以及作用力器械上的力的大小對運動成績具有決定性的影響，如跳高運動、跳遠運動、舉重等。

力是具有方向性的矢量，在對其進行研究時，可將力的方向用箭頭表示，箭頭所指的方向即為力的方向。大多數時候，物體運動是多力共同作用的結果，力的合成與分解應遵守平行四邊形法則。

同樣的力作用在不同作用點上，產生的效應也明顯不同，如在踢足球時，力作用在球的不同位置，可能使球發生不同的旋轉，甚至改變球的方向。

（一）人體運動的內力與外力

1．內力

人體在進行運動時，整個人體可以視為一個力學系統．人體各部分之間的相互作用力被稱為內力。人體的內力包括弧力、韌帶張力、骨應力等。在這些內力中，肌力是人體的主動力，并且是可控制的。在內力的作用下，人體的各個部位實現運動。

2．外力

人體是一個力學系統，則外界作用于人體的力即為外力。人體在運動時，所受到的外力是多種多樣的，包括重力、摩擦力、空氣阻力、地面支撐力等。

（二）人體在運動中所受到的外力

1．重力

重力即為地球對物體的引力。在地球上的物體都會受到重力的影響，其與物體的質量具有重要的關系。一般，如果物體的質量為m，則物體所受的重力大小為G=mg（g為重力加速度），即物體受到的重力與物體的質量成正比。物體所受重力的方向與重力加速度的方向一致，垂直于水平面指向地心。物理學認為，重力是一個質量力，它均勻地分布作用在物體的質量上。

需要注意的是，重力與質量是兩個不同的概念。所謂質量，是物體內所含物質的多少，是物體的本身屬性，是慣性大小的量度，當物體移動時，其質量是不變的；重力則是地球對于物體吸引力的大小，同一物體在不同的維度或高度上，其所受的重力會有略微差異。

2．摩擦力

物體在進行運動時，其與接觸的物體之間發生的阻礙相對運動和運動趨勢的相互作用力即為摩擦力。物體所受到的摩擦力方向與運動（趨勢）的方向相反。一般可將摩擦力分為靜摩擦力和滑動摩擦力。所謂靜摩擦力，是指物體具有運動的趨勢，而又保持相對靜止時，在接觸面上產生阻止其出現相對滑動的力。空氣的摩擦力又被稱為空氣阻力，當物體高速運動時，空氣阻力會對物體產生重要的影響。例如，足球在空中旋轉飛行時，會受到空氣阻力的影響而產生一定的弧線。

3．彈性力

所謂彈性力，即當物體發生形變時，要恢復原來的形狀而作用于與其相接觸的物體上的力。彈性力發生在相互接觸的物體之間，并且物體發生了形變。在撐竿跳運動中，彈性力得到了充分的展現。

需要注意的是，在人體中，肌肉、肌腱、筋膜都具有彈性，在肌肉收縮前被拉長，收縮時彈性力釋放出來參與收縮過程。當肢體做屈伸或伸展運動時，其相反方向的組織包括皮膚、皮下組織、肌肉、筋膜、關節囊等均會受到牽拉。

（三）牛頓力學定理

1．牛頓第一運動定律

牛頓第一定律，又稱慣性定律，是指任何物體在不受力作用時，或所受合力為零時，其將保持靜止狀態或勻速直線運動狀態，物體的這種保持其原來狀態不變的性質即為慣性。慣性是物體保持其原有狀態不變的屬性，其大小與物體的指令及其運動狀態有關。在進行體育運動時，應巧妙利用慣性。

在體育運動時，應特別注意動作的連貫性，盡可能避免頻繁地改變運動速度，以減少不必要的負荷。物體從靜止到運動時，需要施加一定的力，人體速度改變時，需要肌肉用力，頻繁地改變速度，則會造成人體的疲勞。因此運動中保持用力的連貫性和動作的連續性是很重要的。在長距離運動時，應保持適宜的勻速運動，如競走運動和馬拉松等，在運動時保持適宜的勻速能夠節省能量，具有良好的運動效果。

2．牛頓第二運動定律

牛頓第二定律即為加速定律：當一個物體受到的合外力不為零時，物體運動的加速度與作用力成正比，與其質量成反比，加速度的方向與作用力的方向一致。當質量為m的物體受到作用力F時，其運動狀態發生變化，產生加速度a，加速度的大小與力的大小成正比，與質量成反比。用公式表示為：

∑F一1223

人體在進行運動時，如果力的作用方向與運動方向一致，則物體的加速度為正，作用力為物體的動力；如果運動的方向與力的方向相反，則該作用力阻礙物體運動，物體處于逐漸減速運動階段。

在進行體育運動時，為了使得人體或器械運動時獲得較大的加速度，必須施以其一定的力。由于作用于人體或器械的力有很多種，就會產生力的疊加狀態，人體或器械所受的合力大小取決于各種力的大小、方向和作用點。

在將牛頓第二定律應用于人體運動中時，應強調運動中的任意時刻。力與加速度必須是同一時刻的瞬時量，如果物體受恒力作用沿直線運動，第二定律的瞬時性的重要意義就不突出了；反之，如果受的是變力作用，那么瞬時性就很重要。

3．牛頓第三運動定律

牛頓第三定律即為作用力與反作用力定律，在物體運動時，兩物體相互作用時，作用力與反作用力大小相等、方向相反，并且作用在同一條直線上。

牛頓第三定律具有以下幾方面的內涵：

（1）作用力與反作用力分別作用于兩個不同的物體上，并且這兩個力的大小相同，但是產生的效果具有一定的差異性。例如，人在踢足球時，足球會向前飛起，而人則保持不動。

（2）有作用力則必然會有反作用力，這兩者是相互依存的，同時存在，同時消失，兩者是瞬時關系。

（3）力包括彈性力、摩擦力、重力等，作用力與反作用力必須是同種性質的力。

（4）作用力與反作用力大小相等，但是方向卻相反，在同一條直線上，不受相互作用的兩物體的運動狀態的影響。

在進行走、跑等運動時，人體會前進，這取決于地面反作用力大小對人的作用，其最終又取決于人體下肢肌肉的收縮產生的作用力。因此，提高人體運動效果的前提應是提高肌肉收縮速度和力量。另外，為了提高運動的效率，通過緩沖技術能夠在一定程度上減小支撐反作用力的阻力效應，提高動作的效率。