鞭子模型和人体鞭甩模型 很多运动都有强调鞭打发力,像投掷,拳击,散打里面的鞭腿,还有羽毛球挥拍
这里只讨论如何达到尽量大的发力效果和高效传递,不讨论一致性,多样性等方面。然后比较具体的发力我也不懂,只讲理论(甚至可能有错哈)。但哪怕不讲细节,也能看出有的人发力就是好,很漂亮,我想来想去,应该是发力强,同时传动效率高,浪费比较少,多余动作很少,看起来很干净。可能总的来看动作不大,但细看每个部位动作好像不小
我发现有相同之处,也有不同的地方
不同之处 鞭子只能被动传递动能与动量;人体可以主动发力,主动增加动能 鞭子内部阻力很小,很柔软,传动效率很高;人体内部阻力大,球拍的空气阻力也很大,不主动发力的话,能量衰减很厉害。
鞭子没有节,没有明显的边界,渐变很均匀,整个传递过程中只有拉拽和摆动,只有拉力存在 而人体往往是一节一节的,存在骨骼,而且关节的方向千奇百怪,还大量涉及到扭转,力量很多时候是扭力,比方说髋部逆时针旋转,手臂顺时针的内旋
相同之处 都像一个波浪,是一个机械波在传递 每一小段都从上一段获取能量,再传递给下一段,回归静止,每一段都是下一段的支撑,随着过程中每一段的重量越来越小,速度越来越快
’你必须非常用力,才能看起来毫不费力’ 好鸡汤哦,不过没准还真是 很多高手打球看起来很放松,自己也说没发力啊,但你问他发力还能再猛些吗,他也只能说不行
——刘辉
我还没那么厉害,没法体会,我的猜测是,这和鞭子一样,鞭子也没发力,鞭子只能传递能量,但传递的很完美,效率很高,也许更多的发力反而破坏了发力效率
还有一个猜测是这是肌肉的牵张反射出力,肌肉突然感受到被快速拉长了,于是发起紧急收缩,这个超等长收缩过程没经大脑,所以他说没发力
牵张反射 肌肉依赖一种叫作“牵张反射”的机制进行自我保护。只要过度拉伸肌肉纤维(不管是因为动作过快还是过强),神经就会发射信号使肌肉收缩。本体感受器(肌梭)分布在我们的肌肉和肌腱里面,感受肌肉的长度。如果肌肉被拉长的幅度过大,或者是速度比较快,都会造成感受器受到刺激,它就会把刺激传递给我们的中枢神经,中枢神经认为肌肉被拉长了,可能会存在一些潜在的损伤风险,就会发出指令,让这个肌肉保护性的收缩,去抵抗过度拉长的情况,所以这个过程就叫做肌肉的牵张反射。 刚开始拉伸的时候,肌肉往往收的特别紧,持续一段时间之后(约15秒),保护性收缩会被另一个机制抑制,慢慢放松下来
牵张反射是不需要经过大脑皮质层的,它属于皮质下反射,只传递到脊髓。不经大脑,也许这就是他们觉得没出力的原因之一
肌肉是弹簧(很大程度上) 肌肉模型,附有simulink模型,应该可以跑起来(我还没用这个)
也许专业运动员能更好的控制肌肉的收缩和放松。要出力时,信号更强烈,要放松时,能更好的放松,对比度更强,时序组织也更好
超等长收缩与蓄能 肌肉可以发出比平时更大的力量,输出更强的能量,如果你在收缩前先拉长它的话。它可以蓄力反弹,表现的如同橡皮筋,先快速拉长,积蓄能量,再叠加到发出的力量上,更快速的反弹,但是不能停顿。停顿的话,这些能量会显著衰减,变成热量损失掉
在说什么是阻抗前,先卖个关子,看看什么是阻抗匹配 阻抗匹配 一拳打到棉花上和一拳打到铁板上,都是阻抗不匹配;打实了的感觉你一定体验过,那就是匹配了
工作中你碰到一个任务:任务太简单,感觉大材小用;任务太困难,难以推进;难度刚刚好,有挑战,却能有效推进,你很有成就感,匹配啦
实际上你很可能在高中物理学过简单的阻抗匹配了 - 完全弹性碰撞,即没有任何阻性存在。大球撞小球后,大球会继续往前跑;小球撞大球,小球会往回跑。这两都不是完美的能量传递。只有当两个一样的小球碰撞,才会完美的传递所有能量到第二个小球
- 电源驱动负载,电源不完美存在内部电阻。如果负载小,功耗会浪费在电源内部;负载大则推不动。当且仅当外部负载和内部电阻相等时,负载能从电源获得最大能量。
这几个都是阻抗匹配的简单案例。到大学以后,我们做了扩展,负载不仅仅有阻力,还有抵抗。运动不仅仅有匀速运动,也有任意变速运动(可以线性展开为无数正弦运动,傅里叶变换!)
下面摘出一些有用的思想: 如果我们需要输出电流大,则选择小的负载R;如果我们需要输出电压大,则选择大的负载R;如果我们需要输出功率最大,则选择跟信号源内阻匹配的电阻R
在高频电路中,我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时,则信号的波长就很短,当波长短得跟传输线长度可以比拟时,反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状
因而电抗电路要做到匹配比纯电阻电路要复杂一些,除了输入和输出电路中的电阻成分要求相等外,还要求电抗成分大小相等符号相反(共轭匹配);或者电阻成分和电抗成分均分别相等(无反射匹配)
如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢?如果不匹配,则会形成反射,能量传递不过去,降低效率;会在传输线上形成驻波(简单的理解,就是有些地方信号强,有些地方信号弱),导致传输线的有效功率容量降低;功率发射不出去,甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时,会产生震荡,辐射干扰等
阻抗不匹配的时候,波动会被反射,反射系数可以由该处阻抗差异(如说拍子的阻抗和手部的阻抗)计算得到
如果你人高马大,那拿着超轻拍就难以完全发挥力量,苗条还拿二姐夫,就不是人甩拍子而是拍子甩人。我拿着进攻拍,杀球还没有平衡拍给力。打网球这么重的负载,羽毛球拍就不合适,二姐夫也不合适。这些道理不仅仅是体现在人和球拍之间,也体现在各个肢体关节之间,只不过换手臂麻烦多了
阻抗匹配时,可以从驱动源获取最大输出(共轭匹配),或者实现传递网络的无损传递(无反射匹配),而这就是鞭打发力
这也是鞭子相当完美的原因,简单均匀的渐变,没有突然的边界。 球拍轻与重,应该会有一个最优位置,在中间。人体,与球拍,球之间,尽量均匀的渐变,如果可能,按照公式可以对某一频段(或者说发力时长)实现完美的匹配
发力要短促,不要发散,那会降低传递效率,动能不集中即浪费
参考
阻抗是什么 阻抗是电学概念,就是电阻,电感和电容在某一频段的阻力与抵抗,但是大学专业学控制科学的时候学了微分方程,发现力学也是这样
四大天王有5个,二阶惯性环节有3项: 惯性,阻力,弹性 阻抗就是这三个,不是一个简单的数字,而是一个复杂的数字:复数,复数很适合表示一维震荡,这玩意配上线性系统,拉普拉斯变换简直神了,可以处理任意信号,不限于直流和交流信号
漫长的岁月中,无数学者搞了很多高深的研究,复数、微积分、拉普拉斯变换,现在波士顿动力的机器人都会后空翻了,教会机器人发力才是真的懂发力。可以复制,不搞玄学
阻抗是 Z=阻性+感性+容性 = a + bi 其中 a 是实际的数字,是阻性负载。 bi 是虚幻的数字,是 容性+感性 负载。 i就是基本的虚数,就是-1的开根号,能很好的表示运动速度和力的滞后情况,即相位。对于纯惯性,速度会滞后受力90度,即 i
前面提过,电学和力学的模型一致,微分方程一模一样,再加上物理的标准单位制,使得电学的知识能轻易迁移到力学上,电学三种基本元件,电阻,电感,电容,力学上也是,阻尼,惯性,弹性。 1公斤的惯性和1亨利电感的惯性,受到1牛顿推力或者1伏特电压的驱动,表现是一模一样的
以球拍为例 阻尼主要来自拍头的空气阻力,小部分来自中杆的内部阻力 阻尼太大时大家会说木,没弹性;太弹的时候很少,不过也有人抱怨弹性溢出
惯性主要来自于拍头重量,大的拍头重量能存储更多动能,但充能也更慢。 太重时大家会说太笨拙,太轻的时候,大家说难借力。
容性(弹性)主要来自于中杆的软硬,越软能存储更多弹性势能,但充能也更慢。 太软时大家会说发力不直接,太硬时,大家说难以打出形变。
鞭甩发力的仿真
希望拍头速度尽量高,但是并不是消耗在空气阻力上,所以只希望高那么一会儿。要怎么仿真得到球拍的速度曲线呢?
力学建模很复杂,但是电路也是。我们既然知道三个无源线性器件一一对应,惯性即电感,弹性即电容,阻力即电阻,就可以搭建混联电路进行模拟,对了,压力即电压,速度即电流。对一个弹性物体施加驱动力,他的速度就是驱动力除以其阻抗。对多个弹性体施加压力,这几个弹性体的速度就是当前流经该元件的电流,弹性体之间的相互作用力就是节点电压
其实也可以直接搞力学建模的,MATLAB其实很适合干这个 不过用电学建模可以利用这个网页及工具做阻抗匹配,反正都是ode45解微分方程,单位还互换
按照这个教程,我发现: 多级匹配网络就是鞭子的模型,鞭子有很多级,每级都在按比例变轻,按比例变软,维持谐振频率不变,各级之间零反射不发散;阻抗逐渐下降使得每级的速度都在提升,尽管每级的力度都在下降,这和杠杆的效果是一样的,力度换速度。区别在于,匹配网络没有支点存在,传递会滞后
我搭建了一个三级阻抗匹配网络,加入了一些自己的理解
可以看到,每级的速度都在滞后,速度形状类似,但大小在变大,前级能量很好的传递到了后级。后级速度达到最大时,前级速度回落接近于0
和平时对鞭子的认知一致
放松,每次一小块,避免贪多嚼不烂,也避免阻抗不匹配 理想情况是没一级都尽可能小,所以要放松肌肉。如果肌肉不够放松,就会导致下面一级加速之后两级的结构,导致这两级的速度都不太够,外面看起来就不够流畅,就像鞭子上突然有一节硬块一样
你也可以注意到在串联弹簧振子模型中,弹簧只在波浪附近才有张力,平时都是放松的
就像房地产,快进快出,一次充分搞好一个项目。这个机械波在身体上传递,他的波长要短,所谓发力集中
以胸肌为例 胸大肌连接着胸腔和大臂,它收缩时能使大臂内收和内旋,而当大臂外旋时,胸肌被拉长
预先拉紧胸肌,蹬转然后卷腹,带动整个胸腔运动,过程中由于手臂惯性,还有身体大臂小臂之间两个夹角,手臂稍微落后,让大臂稍微外旋,胸肌被进一步拉长到其极限位置,大部分能量传递过去,小部分能量会被存储随后释放出来,导致整个手臂内旋跟上
以球拍为例 拍头靠中杆连接着手柄,中杆很有弹性,而拍头有很大风阻和惯性。手柄加速后,中杆弯曲蓄能,拍头落后。随后,拍头速度跟上,能量由中杆弹性负载 传递到拍头惯性负载
阻抗匹配意味着谐振,各级都是同一个频率的,包括球拍与人体 而不谐振会是这样的 - 拍头重或者中杆软,或者两则兼有。中杆还未伸直,拍头还没能完成加速,身体发力却早早停下了,中杆存储的能量一部分去加速拍头,一部分却去拖动失去动力的手部了。
- 拍头轻或者中杆硬,或者两则兼有。尽管手部还在继续发力,拍头却过早赶上了,开始减速。
应用于改善动作
拍摄慢动作视频,观察一个动作之后,肢体是继续往前,还是掉头往后运动,前者说明肢体惯性过强而力量传递不够,后者说明肢体惯性偏少而力量传递太多
通常会是前者,而这说明动能未能充分转移,连接下一级的肌肉力量需要加强
后者的话,试着减轻下一级的重量(选拍子不要自尊太强硬挑大杀器,匹配才好)
可以调节杠杆的大小,比如中杆于小臂的夹角,夹角越大杠杆越大,同样的小臂旋转速度,角度越大,拍头速度越快。同理有大臂小臂之间的夹角
最终,一个好的匹配会导致中间传递环节只有很小的动能残留,即动作很干净
一个反向应用是故意不匹配,破坏鞭打发力,以实现收吊 冻结手臂,锁住手腕和手指,使得阻抗不匹配,反射身体已经发出去的力量,故意降低传导效率,使得一个明明大发力的动作,打出一个小力的收吊
直接上刘辉教练视频 刘辉羽毛球直播2022-11-19:收吊教学
本帖最后由 wanglin406 于 2024-6-4 12:09 编辑
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