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头和欧米茄:生物力学行业的错误

  • 通过  本汉森
  • 2018年9月10日
自2010年成立以来,Motus一直处于人体运动生物力学的最前沿。尽管我们是第一家通过生物力学实验室提供评估的商业公司,但生物力学评估的实践已经存在了数十年。我们的董事会成员之一格伦·弗莱西格(Glenn Fleisig)博士已经在ASMI运营他的生物力学实验室超过31年—越来越多的Cy-Young校友和MLB组织与他签有著名服务合同。这些生物力学工具使我们能够提出和回答令人信服的研究问题,并分析运动员’的生物力学可以消除肉眼看不见的隐藏性能缺陷。但是,这些概念之一存在致命缺陷。

Motus之一’巴尔的摩金莺早期的移动动作捕捉会议–埃德·史密斯球场,2011年

要了解为什么扭矩是生物力学中更好的性能指标,我们需要讨论什么是角速度。但是,让’进一步倒退并以线速度开始。测量物体’对于线速度,您需要测量距离的变化除以到达该距离的时间变化。
例如,如果一个球在0.136秒内从橡胶移动到本垒板,则它’s的平均速度为60.5英尺/0.136秒—大约每小时90英里。
角速度相似,但以角度变化除以时间来度量。在棒球挥杆过程中,后备箱略微面向捕手,向后旋转约25度。随着挥杆动作的进行,躯干向投手旋转,在球接触附近达到80度旋转。
在Motus,我们可以使用非常精确的运动捕捉设备来测量人体各个部位的这些位置和角度。在我们的生物力学实验室中,我们以500 Hz采样(或每秒500个方向或位置采样)。使用我们的可穿戴传感器,我们以1000 Hz(毫秒)采样。这使我们可以在整个运动中创建位置,方向或角速度的时间序列图。
下面显示的是从比赛记录库中按比赛水平提取的棒球挥杆的旋转模式和角速度模式。随着挥杆动作的进行,我们可以绘制躯干旋转角度与挥杆时间的关系,以毫秒为单位。由于躯干在接近球接触时迅速旋转,因此人体在非常短的时间内就会产生很大的方向变化。角度随时间的这种变化表示角速度。它的定义如下:
通过计算整个俯仰或摆动的角速度,我们可以开始对动力学链的概念进行更为客观的测量。在下图中,红线(骨盆)首先在转速上达到峰值(与脚接触后立即达到峰值),然后躯干加速并以较高的角速度达到峰值,然后最终手臂以最高的转速达到峰值。释放球的瞬间。这是一个很漂亮的概念,被认为对培训有效的力学非常有用。如果动力学链中较低/较远的段在其较高/最接近的段之后产生能量,则运动员正在浪费能量。通常,我们看到骨盆和躯干达到峰值转速的时间之间存在一些分离。在俯仰时,躯干在骨盆后约60毫秒以角速度达到峰值。
要了解为什么会发生这种现象,我们需要了解力,转矩,质量和惯性的概念。在中学科学中,我们都学习一些基本的牛顿物理学。这些概念之一是静止的物体保持静止,除非受到另一种力的作用。在线性尺寸中,将其建模为力等于质量乘以加速度,其中加速度是速度的变化除以时间的变化。
例如,如果您想在WWE的笼子比赛中将某人击倒,则必须向他们的头部施加足够的力量以使其移动得如此之快,以至于对大脑造成伤害。您’d或者必须以非常大的加速度移动一只非常轻便的手,或者移动“really heavy”折叠桌的加速度要小得多。
存在旋转对象的非常相似的概念。在旋转尺寸中,这是通过扭矩,惯性和角加速度建模的。那里’这里有很多新术语,但是它们都类似于牛顿的线性力版本 ’的定律。扭矩表示施加在距物体一定距离(牛顿米)上的力。惯性是物体抵抗旋转的能力(质量和尺寸的因数),而角加速度是角速度的变化除以时间的变化。我们的另一个概念’引入的是动能,在封闭系统中动能保持恒定。
在这个旋转木马的示例中,在所有孩子都跳上平台之后,系统没有再增加任何功能。动能保持恒定-牛顿的另一个’的原则。唯一改变的是质量(孩子们)到旋转木马中心的距离。随着所有人的靠近,惯性变小,导致角速度增加。当那个可怜的孩子从平台上掉下来时,就会出现另一种现象,总质量下降,导致平台再次旋转得更快!
如果我们能够理解小学旋转木马的物理原理,那么将其转换为棒球挥杆或挥杆应该没有问题。小联盟者的骨盆和躯干具有如此高的角速度的原因是,其四肢的惯性矩比成年人小得多。他们的四肢和肢体不仅更轻,而且距身体重心的距离也远小于大型联赛。那里’当您旋转时阻力小得多’re 5’0” 115 lbs.
另一个例子要求我们重新思考自己的哲学。我们总是吹捧安德鲁·麦卡肯(Andrew McCutchen)’在我们的实验室中测量的髋关节速度是卓越表现的一个例子—有一些最快的角速度’曾经录制过(每秒超过850度)。但是,如果您考虑一下(并进行数学计算),他的惯性矩要比普通大联盟少。他需要比核心更高的角速度才能产生与大联盟相同的球拍速度。

Andrew McCutchen:3D摇摆

那么,这会把我们留在哪里呢?对于初学者,我们需要一种方法来缩放运动员的旋转速度’的大小。最直接的方法是使用已知的身高,体重和球/棒的质量来估计上半身的惯性。这将有助于我们计算其旋转系统的动能。但这甚至不类似于我们的WWE淘汰赛示例。在旋转尺寸上建模力和质量的唯一方法是使用“扭矩”和“惯性”。这需要能够计算物体的角加速度’的段。一旦有了这些,就可以很容易地计算出扭矩。
在Motus,我们可以计算“trunk torque” with both our motion capture lab, and motusONE console of IMU sensors that have gyroscopes in them (omega). But does 躯干扭矩 relate to any performance measures? You bet it does. After mining the Motus database of baseball swings, and running a simple correlation between peak 躯干扭矩 and peak bat speed (which occurs at impact, always…), we see a very strong relationship between the two. Batters who generated more 躯干扭矩 generated more bat speed (R^2 = 0.60), and bat speed is extremely important. More-so, unlike rotational velocities, we see a strong increase in 躯干扭矩 as competition level goes up.
当涉及击球的冲击物理时,冲击动量原理至关重要。如果需要较高的出口速度,则需要快速挥动沉重的杆并产生良好的冲击力。在完全非弹性的系统中,能量是守恒的,并且两个物体碰撞之间的关系如下:
一位智者曾经告诉我,您可能拥有世界上最快的蝙蝠速度,但如果您’重新瞎了,真的没有’没关系。这不能’更加真实-如果接触不良,则撞击时的速度会降低。但是在理想的撞击条件下,较重的蝙蝠以更快的速度运动就可以赢得比赛。我们认为,仅具有更快的核心部分旋转速度并不能帮助您实现更快的球拍速度,实际上,您需要能够产生较大的旋转扭矩。

变更需求:基于扭矩的评估

本文的主要目的是引起人们的注意,需要对评估轮转运动员进行更深入的思考。角速度不是性能的有用度量,因为它们不是’t由运动员的身材缩放。动力学模型(例如旋转扭矩)是出色的性能指标。除此之外,还更需要有效地训练旋转运动员。这是一项困难且极其复杂的任务。最终,我们需要朝着逻辑操作的方向努力,以确定要训练到运动员的外部重量,力量,次数和速度的组合’基于他们的弱点和能力的培训计划。仅对俯仰或摆动的评估不能提供足够的数据。
在Motus,我们将发布一些工具,以更好地评估摆动和俯仰以及举重室中动力链中的旋转扭矩。如果你’d想了解有关我们即将推出的Tau-Omega工具的更多信息并获得早期使用权,可以在Twitter和Instagram(@motusglobal)上关注我们的发布,或通过[email protected]向我们发送电子邮件。
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