王培生先生毕生致力于太极拳事业，潜心研究，博采众长，推陈出新，将我国传统的易经学，气功学，中医学以及现代力学，运动学等多种学科有机地结合起来，极大地丰富合发展了太极拳的理论。王培生先生仙逝已经三周年了，但先生的武德合武学光芒永在。本文仅仅谈一下我们对先生合力为零平衡思想的领会，好比是在先生的拳论汪洋中拾捡一只小小的贝壳，以此表达我们对先生的缅怀合崇敬之情。
一．“合力为零”是王培生先生平衡机理的核心思想
身体平衡对于太极拳至关重要，从古至今众说纷纭，各有见地，而王培生先生将其精辟地概括为四个字：“合力为零”。
王培生先生在教授太极拳时，多次阐述过“合力为零”的平衡理论,例如在论述“四正推手规矩和太极拳与力学的关系”时，先生说：“太极拳推手也好，盘架子也好，在整个推手技击运动过程中，老保持自身的合力为零，就是平衡。”还说：“老保持你的气是圆的，实际都是一种合力，求自己的合力为零。身体的四面八方都是平衡的，没有一点顶撞、障碍、牵涉，哪方面都是灵活的。又如王培生先生在论及“太极拳推手中的静力学现象”时说：“一个刚体保持稳定的必要条件是在平面共点力系中，应该是诸力之和等于零，如不为零，物体必定按照合力作用线方向产生运动。
王培生先生合力为零的平衡思想，一语中的揭示出人体平衡的核心机理，具有科学性和严密性，是王培生先生对中华武学的贡献之一。
二、我们对“合力为零“平衡机理的领会
王培生先生的合力为零平衡思想，可以用人体力学来解释。
我们在运动中，几乎所有的骨骼肌运动都是在与重力对抗，因此我们先来介绍三个与重力有关的概念：人体重心，人体重力线和人体支撑面。
人体重心：人体是头，躯干，四肢等多肢段的组合体，每个肢段分别有自己的重心，称为“肢段重心”，各肢段所受重力的合力作用点称为“人体重心”。人体重心的位置随着肢段位置的变化而改变，在两肩下垂，并步站立时，人体重心位于丹田处。
人体重心线：人体重心对地面的垂直投影线称为“人体重力线”
人体支撑面：指维持身体平衡时作为身体底座的面，它是以支承足为中心的一个椭圆域。支撑面大，可产生恢复力矩，身体就稳定；支撑面小，体重容易产生破坏力矩，身体就易倾斜。人体支撑面的大小与支撑脚的位置有关（双脚步幅大且横向距离宽时，椭圆域增大；单脚支撑身体时椭圆域最小），同时还与地面的摩擦系数成正比，在冰面上容易摔倒便与人体支撑面缩小有关。
人体平衡的条件是人体重力线落在支撑面区域内，支撑面越大，重心越低，人体重力线落点越接近支撑面的中心，则身体的稳定度就越大。
由于人体各方面受力（自身重力或外力）均作用在人体重心上，在力学上将这些力称为“共点力”。根据牛顿第二定律，当物体所受合力为零时，加速度为零，物体将保持静止或者做匀速直线运动，即物体处于平衡状态。所以在共点力作用下，物体的平衡条件是合力为零，其数学表达式为F合=0ΣF分=0。一个力系为平衡力系的必要且充分条件有两个，其一是力系中各力的据量和为零，即该力系的主矩为零；其二是力系中各力对某点力矩的矩量和为零，即该力系对某点的主矩为零。
人在中正站立，两臂位置对称时，人体的重力线贯穿身体中心轴，其下端落在支撑面的中心。此时人体处于对称状态，各肢段的重力作用在身体重力线上的合力及合力矩为零，人体平衡稳定。
人在运动时，各个肢段产生位移使肢段重心也随之移动，当它们作用在身体重力线上的合力或合力矩不再为零时，人体就会失去平衡而倾斜。此时人体必需通过调整肢体的位置，使它们作用在重力线上的合力为零，从而恢复或建立起新的平衡状态。
人体在受到外力作用时，会打破原来自由身肢段形成的对称平衡。此时维持身体平衡有两个办法：一是自身产生一个与外力大小相等，方向相反的力与之抗衡，但这在太极拳中易犯“双重”的错误；二是以自身的重力线为轴，粘住对方，用小力划圆去改变外力的方向，引进落空，使对方攻击不到自己的重力线，从而维持自身的平衡。王培生大师说：“太极拳的空洞是怎样形成的？是通过切向力和法向力两个力合成的，切向是走一个循环旋转的，实际就是个切面。你平着向前进了，再进就空下去了，直力来了以后，反抗力没有了，而是往左右两翼弧形迂回前进了。这种力是圆的和直的，有种弹性力，有两种力组成，存于空。‘空’是什么？是全身的真正合力等于零。”
领会了王培生先生的合力为零的原理之后，重读古今经典拳论会有茅塞顿开之感。
王宗岳的《太极拳论》中有“立如平准，活似车轮”的名言。“立如平准”将人体比做一架天平，脊椎好像是天平的中柱，尾闾如同中柱上的指针，自身力与所受外力好比天平的秤盘。欲使天平平衡，两侧秤盘的重量必须相等，作用在中柱上的合力为零；欲使人体平衡身体各方受力必须对称，作用在人体重力线上的合力为零。“活似车轮”将人体重力线比做车轴，四肢运动轨迹即为车轮，从而实现身体的零合平衡。
《太极拳论》中还有“左重则左虚，右重则右杳”之说。“杳”与“虚”同义，“重”与“实”同义，打拳时，我们身体同侧的上下肢应当是一实一虚，如果同时为实就会形成“一头沉”，身体会因破坏了合力为零的平衡条件而发生倾斜。
武禹襄在《太极拳论》中说：“有上即有下，有左即有右”。这句话揭示了太极拳运动的对称立法。招式左右互换，身形上下互补，形成对称运动。抽招换式强调欲左先右，欲上先下；发力时，要求前发后撑，上掤下采，肢体成反方向对拔对拉，处处以身体的重力线为中心轴对称。这样就符合了合力为零的平衡思想。
陈鑫在《太极拳十大要论》中说：“手与足合，肘与膝合，肩与胯合，外三合也。以左手与右足相合，左肘与右膝相合，左肩与右胯相合，右肩与左胯亦然。一动而无不动，一合而无不合。”外三合的力学根据也是合力为零的平衡原理。外三合要求身体两侧上下肢的根节，中节，稍节左右交叉相合，这样就能够使各肢段的中心以身体重力线为轴对称起来，从而达到合力为零的平衡状态。外三合是太极拳身法的基本要领，打拳时要求一侧肢体动而另一侧肢体必须同步运动与之对称相合，时时，处处维持着身体的零合平衡状态，这便是陈鑫所言：“一动而无不动，一合而无不合。”的道理所在。
三、王培生先生零合平衡状态原理的应用
1、盘架子时运用王培生先生的零合平衡原理
盘架子时的平衡要点是：运动中保持各肢段重力作用在身体重力线上的合力为零。譬如我们上步时，一定要注意抽胯根，以此保持合力为零的平衡状态，使迈出腿能够自由伸缩，做到“上步如猫行”；又如我们在做单腿支撑的平衡动作时，一定要使身体重力线贯穿支撑腿，蹬（分）脚时后手必须同步伸展，以维持零合平衡状态。王培生大师为此有着不同凡响的认识。
王培生先生说：“怎么为‘合’？怎么为‘零’？实际就是保持你的立身中正安舒，那个重心点实际就是小脑跟支撑点老保持垂直，你若动左脚，你不用左脚，你把右手一伸，一想手脚就动。你把肘一沉腰就起，肩一松胯就动。你把手一伸你看那脚就出，一收它又还回来了，很稳。
上述话语包含了三个拳法要领：（1）立身中正安舒；（2）小脑跟支撑点始终保持垂直；（3）神意不同位。
（1）立身中正安舒
王培生先生说：“‘正’就是不偏不倚，不要左右歪斜。“由于人体结构是以脊柱为轴心左右对称的，立身中正就能够使人体重力线上的合力为零。怎么做才能立身中正呢？大师进一步说：”今天讲的细致具体一些，使大家能够掌握它，就是眼神平视前方，‘中’就做到了。眼睛一平视前方，里头的阴维阳维就维持平衡了。“大师还做了一个贴切的比喻说：”顶头悬就像个定盘星“王培生大师的这些话已为现代医学所证明。
自从人类直立行走以来，人体便处于典型的不稳定平衡状态。Re人体保持平衡的能力来自哪里？原来，在人的颅骨内有一个很小而结构复杂的内耳，主宰人体平衡是靠内耳中的半规管和半规管前的两个囊状物来实现的。半规管是互相垂直的三维管道，而两个囊状物是位置传感器，专门用来感受头部位置的变化，在人体运动中起着“定盘星”的作用。当他们感知到头部在三维空间中发生位置变化时，半规管就将这些变化信息传给中枢神经系统，中枢神经系统据此下达运动指令，运动系统控制姿势变化，将身体重心调回原位或建立起新的平衡。当人们患有内耳疾病时，人体就会因位置传感器失灵而步履蹒跚，站立不稳。所以，当我们的身体平衡状态不好时，通过虚领顶劲和两眼平视，可使两耳半规管对称平衡，“定盘星”不偏不倚，指导身体复归平衡。
（2）小脑跟支撑点老保持垂直
“小脑跟支撑点老保持垂直”就是要始终保持好自己身体的重力线，这句话的关键在一个“老”字，它是掌握随遇平衡的要领。对此，王培生先生进一步解释说：“随遇平衡的掌握还是刚才说的，小脑是掌握平衡的，就是小脑跟支撑点保持垂直，就是跟支撑体重的那条腿保持垂线，成一条铅垂线，这就稳了，稳了就是随遇平衡。”“小脑跟支撑点老保持垂直”就是要连续，动态的保持自身重力线上的合力为零。
（3）神意不同位
“神意不同位”是王培生先生对中华武学的重要贡献。“神意不同位”的拳理也是王培生先生合力为零的平衡思想的应用。
在长期的站立生活和运动中，人类已经形成了自然地身体平衡意识。例如，当我们感觉到身体向某侧倾斜失衡时，往往会不加思索的伸展反侧肢体；又如我们平时走路，不用想腿前迈时一定是同侧手臂向后挥。可见，人类的这种自然平衡意识也是基于合力为零的原理。
倘若我们主动地去利用人的这种自然的平衡意识，岂不就能够更加协调，轻松地打拳了吗？比如我们欲伸左脚，不是去想左脚，而是反向伸出右手，右手伸展增大了身体右侧的力矩，破坏了原来的零合平衡状态，为了维持平衡，我们就会自然地将左脚伸出，从而达到新的零合平衡状态。
王培生先生在教授他创编的三十七式太极拳时，招招式式都蕴含着“神意不同位”的绝妙拳理。譬如“起式”时左脚要横开，王培生大师讲：“开步不想脚，想右手小指往右脚后跟外侧10公分的地方触地，眼神冲远处看，这左脚自动开才行。”又如在分脚，蹬脚，踢脚时，大师讲：“太极拳腿法有七种，叫七脚，有左右分脚，转身蹬脚，披身踢脚等，主要都在手上操作，如分脚是想指尖，想指尖就绷脚，这叫‘右重则右杳，左重则左虚’。在平衡动作中如果想前手就不稳，就晃蹬右脚时要想左手才稳。蹬脚时想掌根，你看这脚跟自然就蹬出了。用脚尖点脚的时候叫‘踢胸点肋’，这时要想指尖伸。”
太极拳最难做到的就是个“松”字，倘若我们能够遵照王培生先生“神意不同位”的拳理，做到“动哪不想哪，打哪不想哪”，身体岂有不放松之理？
2、合力为零平衡原理在太极推手中的应用
推手时，由于身体受不断变化的外力的作用，其平衡控制要比盘架子时的情况复杂得多。王培生大师“合力为零”的平衡理论不仅同样适用于推手，还是“以逸待劳”的取胜法宝。
武禹襄在《太极拳十三势行功心解》中说：“心为令，气为旗，要为。”意思是说：“大脑是三军司令部，内气是旗牌官（传令兵），腰脊是中军大旗。”这里所说的中军大旗，即为贯穿腰脊的人体重力线。军旗倒则三军亡，技击时，要时刻守护好自己的重力线而去攻击和破坏对方的重力线。王培生大师讲：“在整个推手技击运动过程中，老保持自身的合力为零。”如何保持自身的合力为零？大师进一步说：“中正掌握的是垂直，就是小脑跟支撑脚成垂直，你这个中轴有了，就能做到以逸待劳。以逸待劳指的是什么？就是指的重心，你老起个轴的作用，以轴贯轮，作为一个轴心去支配对方。这点很重要，把这掌握以后，你推手就进步一大块。”人体力学中一个重要的用力原则是：“利用杠杆原理，尽量使用大肌肉或多肌群，用最小量的肌力作功。”可见王培生大师将人体力学的原理运用得得心应手。
“双重则滞，偏沉则随。”太极拳注重沉稳与轻灵的统一，特别是在推手和技击时，更讲究灵活多变的随遇平衡。拳架低时重心低、支撑面大，身体的稳度固然增大，但拳架过低时身体的转换就难以灵活。对此，王培生大师有一个绝妙而风趣的比喻：“太极拳技击，推手的锻炼，能得到球的随遇平衡的机理，就会处于永无失败的妙境。比如有再大的桩步（劲）也不如深埋的混凝土电线杆子，而电线杆子有被撞到的，谁也没有听说过球被人踢了一个筋斗。”
球体有两个特点：一是球体的重心位于球心处（当球体质量均匀分布时），一是球体与地面的接触点只有一个。球体的重力线永恒是球心与地面接触点间的连线，球体重心的高度恒定且重力线上的合力恒为零，所以无论让球怎么滚动也破坏不了球体的平衡，—这就是典型的随遇平衡。
人生两脚，怎样才能做到像球体那样的随遇平衡？关键在于“双重则滞，偏沉则随”，即虚实互换，虚实互根。各派太极拳无不强调虚实分明，避免双重。在陈氏，杨氏太极拳中，两脚的虚实程度多为三七开，而吴氏太极拳的虚实更加分明，要求实腿基本上支撑全身，按张耀忠老师的话说，是“解放四分之三”，由于身体只有一个接地点，便能象球体那样灵活转换。因此，王培生先生说：“太极拳就是根据心理学，生理学，力学原理，拿自己当轴心，拿对手当轮。利用对方，指挥对方，以逸待劳。随时保持自己身体重心的稳定平衡，即随遇平衡，做到重心既不升高又不降低，宛如不倒翁，恰似皮球；同时时刻窥视和侦察对方的重心是否受到阻碍，精神是否集中，找到对方的弱点，破坏对方的重心的平衡。”
王培生先生虽然离开了我们，但其精深博大的太极拳理论宝库，值得我们毕生去挖掘。领悟合受益。以上是我们对王培生先生零合平衡理论的粗浅认识，不当之处一定很多，望各位老师不吝赐教。
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1、第第4 4章章 人体力学人体力学 第第4章章 人体力学人体力学 4.1 肌肉收缩与肌力肌肉收缩与肌力4.2 骨杠杆系统骨杠杆系统 4.3 静态肌肉施力静态肌肉施力 4.4 作业姿势作业姿势 4.5 人的操纵力人的操纵力 第第4 4章章 人体力学人体力学 .1 肌肉收缩与肌力肌肉收缩与肌力 人体内有三种类型的肌肉。 第一类为骨骼肌， 通过腱与骨骼相连。 骨骼肌的收缩能力强， 但不能持久， 其活动能随人的意志运动， 也称随意肌。 第二类为平滑肌， 构成人体某些脏器的管壁， 其活动不受意志支配， 故称不随意肌。 第三类为心肌， 分布在心脏的房、 室壁上， 组成心肌层， 也属不随意肌。 人机工程学所讨2、论的仅限于骨骼肌， 以下简称肌肉。 第第4 4章章 人体力学人体力学 4.1.1 肌肉的组织结构 骨骼肌是人体内数量最多、 分布极广的一种组织， 对于成年男性约占体重的40%， 女性约占35%。 骨骼肌的形状一般可分为长肌、 短肌、 阔肌、 轮匝肌四种。 第第4 4章章 人体力学人体力学 骨骼肌的中间部位称为肌腹， 主要由骨骼肌纤维构成， 有收缩性。 骨骼肌的两端称为肌腱， 由致密结缔组织构成， 无收缩性。 骨骼肌纤维是长圆柱状细胞， 表面由肌膜包围， 其长度一般约为340 mm， 直径约为10100 m。 许多肌纤维排列成束， 构成肌束。 肌肉则由许多聚集在一起的肌束构成。 第第4 4章章 3、人体力学人体力学 4.1.2 肌肉收缩的机理和形式 1. 肌肉收缩机理 肌肉的基本机能是将生物化学能转变为机械位能或动能。 这种转变是靠骨骼肌所具有的生理特性收缩性实现的。 人体的每一块骨骼肌都受一定的神经支配。 当来自中枢神经系统的神经冲动， 由分布于肌肉中的运动神经末梢通过运动终板传递给所支配的肌纤维并引起肌纤维兴奋时， 肌纤维的机械状态即发生变化。 肌纤维在刺激作用下所发生的这种机械状态的变化称为肌肉收缩。 第第4 4章章 人体力学人体力学 人体的任何一种运动， 包括最简单的动作在内， 都是众肌肉群共同收缩的结果。 在肌肉共同活动中， 作用相同者称为协同肌， 作用相反者， 则称为拮抗肌。4、 如肱二头肌和肱肌、 肱桡肌都有屈肘的作用， 属于协同肌； 而肱二头肌和肱三头肌， 对肘关节是一屈一伸， 故二者属于拮抗肌。 屈肘时， 既要有屈肌组的协同收缩， 又要有伸肌组的舒张相配合， 才能完成屈肘动作。 协同肌与拮抗肌的收缩， 都是在神经系统的调节下进行的， 是高度协调的。 第第4 4章章 人体力学人体力学 图4 - 1 肌微丝滑动示意图(a) 静止状态； (b)收缩状态(c) 弛张状态第第4 4章章 人体力学人体力学 2. 肌肉收缩的形式 1) 等长收缩。 肌肉收缩所产生的拉力等于外界阻力时， 肌肉的长度不变， 这种收缩形式称为等长收缩。 2) 非等长收缩。 肌肉收缩所产生的拉力不等于5、外界阻力时， 肌肉的长度发生改变， 这种收缩形式称为非等长收缩。 第第4 4章章 人体力学人体力学 4.1.3 肌肉收缩的力学特征 肌肉收缩时的力学特征的不同表现， 主要取决于负荷(阻力、 重量)的大小。 1. 潜伏期 负荷增大时， 从肌肉受到刺激到肌肉开始缩短的时间间隔变长， 即潜伏期延长， 如图4 - 2所示。 2. 缩短程度 图4 - 3所示为人体右胸大肌负荷与肌肉缩短程度、 速度的关系， 当负荷较大时， 肌肉的缩短程度较小。 第第4 4章章 人体力学人体力学 图4 - 2 负荷与潜伏期的关系 第第4 4章章 人体力学人体力学 图4 - 3 负荷与缩短程度以及缩短速度的关系 第第4 4章6、章 人体力学人体力学 3. 缩短速度 人体右胸大肌在负荷较大时， 肌肉缩短速度慢(如图4 - 3所示)。 肌肉收缩速度与待收缩量成正比。 在某一负荷下， 肌肉收缩时， 最初缩短速度较快， 随着肌肉的缩短， 缩短速度渐慢， 到最大缩短值时， 缩短速度为零。 这一关系可用下式表示： )(SSBstdsT(4 - 1)第第4 4章章 人体力学人体力学 4.1.4 肌肉收缩的机械效率 肌肉收缩所产生的能量， 一部分用于克服外界阻力， 完成外功， 即将肌肉中的生物化学能转变为机械位能或身体运动的动能； 另一部分则用于克服肌肉内部所特有的内阻力， 做了内功， 即将生物化学能转变为热能。 因此， 肌肉作功时7、所消耗的总能量E为QAE（ - 2） 式中： A完成外功消耗的能量； Q做内功所消耗的能量。 第第4 4章章 人体力学人体力学 肌肉收缩的机械效率为QAAEA（ - 3）第第4 4章章 人体力学人体力学 4.1.5 肌力 肌肉收缩所产生的力通常以肌肉收缩时对外用力所测定的数值表示。 人的一条肌纤维所发挥的力量约为0.010.02 N， 肌力为许多肌纤维的收缩力之和。 肌肉的最大肌力为每平方厘米横截面上3040 N。 可见一个人能产生多大的肌力取决于其肌肉横截面面积的大小。 肌力还与收缩肌肉的长度有关， 当肌肉长度为静息状态长度时， 肌肉产生的力量最大， 随着肌肉长度的缩短， 肌肉产生力量的能力8、也逐渐下降。 第第4 4章章 人体力学人体力学 4.2 骨杠杆系统骨杠杆系统 成人全身共有206块骨， 通过骨连结组成的骨骼系统， 约占体重的1/5。 骨依其所在部位可分为颅骨、 躯干骨、 四肢骨三部分； 依其形态则可分为长骨、 短骨、 扁骨和不规则骨四种。 骨骼的主要功能是： 骨骼构成人体的支架， 有维持体型、 支撑软组织、 承担全身重量的作用； 第第4 4章章 人体力学人体力学 骨骼形成体腔壁， 可保护大脑及内脏器官， 并能帮助呼吸； 骨是人体运动的杠杆， 肌肉牵动骨绕关节转动， 使人体产生各种运动； 骨的红、 黄骨髓有造血、 储藏脂肪的功能， 骨还是人体内矿物盐的储备仓库。 第第4 4章9、章 人体力学人体力学 表4 - 1 身体主要部位肌肉所产生的力 第第4 4章章 人体力学人体力学 骨与骨之间借纤维结缔组织、 软骨或骨组织相连结， 称骨连结。 人体的骨连结可分为直接连结和间接连结两种形式。 两骨之间通过结缔组织、 软骨或骨相连接， 其间无腔隙， 活动范围很小或不活动的连结形式称为直接连结， 如椎弓间的韧带联合、 胸骨和第一肋骨的软骨结合以及骶椎间的骨性结合等。 两骨之间借膜性囊互相连结， 其间具有腔隙， 活动性较大的连结形式称为间接连结， 这种连接也称为关节。 第第4 4章章 人体力学人体力学 4.2.1 关节的运动 关节的运动是绕轴的转动， 其运动形式与关节面的形态有密节关10、系。 根据关节运动轴的方位， 关节运动有以下四种形式。 1 . 屈伸运动 关节绕冠状轴所进行的运动。 同一关节的两骨之间， 角度减小为屈， 角度增大为伸。 如肘关节连结的前臂骨与肱骨， 肘关节绕冠状轴转动时， 前臂骨与肱骨之间角度减小时为屈肘，反之则为伸肘。 第第4 4章章 人体力学人体力学 2. 内收外展 关节沿矢状轴所进行的运动。 内收为关节转动时， 骨向正中面靠拢的运动； 外展则为骨离开正中面的运动。 3. 旋转运动 骨围绕垂直轴或绕骨本身的纵轴的旋转运动。 骨的前面转向内侧称为旋内， 而骨的前面转向外侧则称为旋外。 第第4 4章章 人体力学人体力学 4. 环转运动 骨的近侧端在原位转动11、， 远侧端作圆周运动， 全骨形式一圆锥形式运动轨迹。 环转运动实际上是屈、 展、 伸、 收的依次连续运动。 表4 - 2和图4 - 4为成年人各关节的活动范围及人体保持舒适姿势时的关节调节范围。 第第4 4章章 人体力学人体力学 4 - 2 成年人肢体的主要活动范围和舒适姿势的调节范围 第第4 4章章 人体力学人体力学 图4 - 4 成年人关节的活动范围 (a) 关节活动范围； (b) 保持舒适姿势时的关节调节范围 第第4 4章章 人体力学人体力学 4.2.2 关节的类型 根据关节面的形态和运动形式， 关节可分为单轴关节、 双轴关节和多轴关节， 如图4 - 5所示。 第第4 4章章 人体力学人12、体力学 图4 - 5 关节的类型 第第4 4章章 人体力学人体力学 上述三种关节所包括的类型如下： 第第4 4章章 人体力学人体力学 4.2.3 人体运动的杠杆原理 骨在肌肉拉力的作用下绕关节轴转动， 其结构与功能如同机械杠杆， 故称为骨杠杆。在图4 - 6所示的骨杠杆中， 关节为支点(O)； 肌肉的起止点为力点(A)； 负荷(或身体部位的重量)的作用点为阻力点(D)。 支点至肌肉拉力线的垂直距离为力臂(OC)； 支点至阻力作用线的垂直距离为阻力臂(OD)。 肌肉起止点至关节轴的距离为杠杆臂(OA)。肌肉拉力(F)与力臂的乘积为肌肉拉力矩， 阻力(P)与阻力臂的乘积为阻力矩。 力臂和阻力臂之比13、值OC/OD为杠杆的机械效益。 第第4 4章章 人体力学人体力学 图4 - 6 骨杠杆示意图 第第4 4章章 人体力学人体力学 人体运动的骨杠杆形式基本有三种： 一是平衡杠杆， 如图4 - 7(a)所示的头和颈椎的连结， 寰枕关节为支点， 颈部背侧肌群的起点为力点， 头的重心为阻力点， 因此支点位于重心点和力点之间。 二是省力杠杆， 如图4 - 7(b)所示， 跖趾关节为支点， 体重通过小腿骨施加于踝关节处而成为阻力点， 腓肠肌的拉力作用于足跟骨上而成为力点， 因此， 重点位于支点与力点之间。 第第4 4章章 人体力学人体力学 这种杠杆由于力臂大于阻力臂， 故其机械效益大于1， 因而省力。 三14、是速度杠杆， 如图4 - 7(c)所示， 髋关节为支点， 髂腰肌止点为力点， 下肢重心为阻力点， 因此， 力点位于支点和重点之间。 这种杠杆由于力臂小于阻力臂， 故其机械效益小于1， 因而费力， 但阻力点的移动速度快， 所以是以力的消耗来换取较快的运动速度。 人体内特别是肢体内大多为速度杠杆。 第第4 4章章 人体力学人体力学 图4 - 7 人体骨杠杆(a) 平衡杠杆； (b) 省力杠杆； (c) 速度杠杆第第4 4章章 人体力学人体力学 4.3 静态肌肉施力静态肌肉施力 4.3.1 肌肉施力的类型 肌肉收缩所产生的力作用于骨， 然后再通过人体结构(如手、 脚等)作用于其他物体， 这一过程称为15、肌肉施力。 肌肉施力可分为静态肌肉施力和动态肌肉施力两种方式。 第第4 4章章 人体力学人体力学 1. 静态肌肉施力 静态肌肉施力是依靠肌肉等长收缩所产生的静态性力量， 较长时间地维持身体的某种姿势， 致使肌肉相应地作较长时间的收缩。 在静态肌肉施力情况下进行作业称为静态作业。 如汽车行驶过程中， 驾驶员的脚要长时间地踩在加速器上， 此时脚跟的状态即为静态肌肉施力状态。 第第4 4章章 人体力学人体力学 静态肌肉施力时， 由于持续收缩的肌肉压迫血管， 从而阻止了血液进入肌肉， 肌肉无法通过血液得到充足的氧， 容易引起肌肉疲劳， 造成肌肉酸痛， 静态作业的持续时间因此而受到了限制。 第第4 4章16、章 人体力学人体力学 2. 动态肌肉施力 动态肌肉施力是对物体交替进行施力与放松， 使肌肉有节奏地收缩与舒张。 在动态肌肉施力的情况下进行作业， 称为动态作业， 如控制操纵轮时上肢的状态。 第第4 4章章 人体力学人体力学 4.3.2 静态肌肉施力特征 静态肌肉施力时向肌肉供血受阻的程度， 与肌肉收缩产生的力成正比， 即静态肌肉施力越大，肌肉内压力越大， 血液向肌肉流动所受的阻力也越大。 第第4 4章章 人体力学人体力学 图4 - 8 施力大小与持续时间的关系 第第4 4章章 人体力学人体力学 图4 - 8中的曲线称为Rohmert曲线， 可将其用下列数学表达式给出)(6361269032ma17、xsPPPt（ - 4)第第4 4章章 人体力学人体力学 4.3.3 常见静态作业和对人体的影响 在日常生活与劳动中， 不论采取何种人体姿势， 都有一部分肌肉静态受力， 所以一般作业中既有静态施力也有动态施力。 由于静态施力的作业方式易于导致肌肉过早疲劳， 因此当静态作业与动态作业两种作业方式同时存在时， 首先应处理好静态作业。 常见的静态作业方式有： 第第4 4章章 人体力学人体力学 1) 长时间或反复地向前或向两侧弯腰， 如车床设计过低或身材高大者操作低车床； 2) 长时间手持或抓握物体， 如手持加工机件， 抓握风钻、 铆枪、 焊枪等； 3) 长时间双手前伸或手臂悬空抬起， 如在设计过高的18、工作台上操作小台钻等； 4) 一只脚支承体重， 另一只脚控制机器， 如使用像空气锤那样的单脚操作的脚踏板装置；第第4 4章章 人体力学人体力学 5) 长时间站立在一个位置上， 如操作各种机床； 6) 推拉重物； 7) 长时间、 高频率地使用一组肌肉， 如手指长时间高速敲击键盘等。 静态肌肉施力一方面加速肌肉疲劳过程， 引起难忍的肌肉酸痛， 另一方面长期受静态肌肉施力的影响， 酸痛还会由肌肉扩散到腱、 关节和其他组织， 并损伤这些组织， 引起永久性疼痛。 表4 - 3列举了一些常见的静态作业姿势可能引起的疼痛部位。 第第4 4章章 人体力学人体力学 表4 - 3 常见静态作业姿势可能引起人体疼痛19、的部位第第4 4章章 人体力学人体力学 4.3.4 避免静态肌肉施力 避免静态肌肉施力的关键在于协调人机关系， 使操作者在作业过程中能够采取随意姿势并能自由改变体位， 从而保持身体的舒适、 自然状态， 而不迫使操作者只能采取一种姿势和不良姿势。 如图4 - 9所示， 由于铣床和钻床工作台高度设计不合理， 迫使操作者不得不采取不良作业姿势。 第第4 4章章 人体力学人体力学 图4 - 9 不良的作业姿势(a) 操作铣床； (b) 操作台钻 第第4 4章章 人体力学人体力学 1) 长时间或反复弯腰， 尤其是头和身体向两侧弯曲而造成的多块肌肉静态受力。 弯腰使腰背部肌肉静态受力而造成能耗明显增加， 20、坐姿、 立姿的能耗大约只有弯腰能耗的2/3。 2) 长时间地抬手作业或上臂举着的作业姿势。 这种姿势不仅使手臂和肩部肌肉静态受力， 而且也影响作业的精确性。 为避免这种状态， 作业面应与肘关节高度相当或在肘关节以下。 第第4 4章章 人体力学人体力学 3) 负荷不平衡， 单侧肢体承重或单手操作。 4) 头部和眼睛的不自然姿态， 造成头部和颈部肌肉的静态施力。 为避免这种状态， 操作时手最好距离眼睛25 cm， 视线在水平线以下15的方向。 5) 长时间的双手或单手前伸。 最频繁的作业动作， 应该在肘关节弯曲的情况下即可以完成。 6) 静止不动， 特别是长时间地站立于一个位置上。 这种作业姿势，21、 不仅造成静态肌肉施力， 而且引起腿部静脉血压的增高。 所以， 通常坐姿作业比立姿作业省力。 第第4 4章章 人体力学人体力学 4.4 作业姿势作业姿势 4.4.1 作业姿势的类型及影响因素 人在日常生活和生产中， 一般有四大基本姿势， 即立姿、 端坐姿、 靠椅坐姿和卧姿。 根据支持躯体的方式可将上述4种基本姿势划分为34种姿势， 其中立姿7种、 端坐姿14种， 靠椅坐姿10种， 卧姿3种。 第第4 4章章 人体力学人体力学 随着宇航技术的迅速发展， 失重姿态也将作为一种作业姿势而成为研究、 分类的对象。 影响作业姿势的因素很多， 主要有以下几个方面： 1) 作业空间的大小及照明条件， 变换姿22、势的可能性； 2) 体力负荷的大小及用力方向， 作业所要求的准确度和速度； 第第4 4章章 人体力学人体力学 3) 工作场所的布置， 工具设备与材料的位置以及取用、 操作的方法； 4) 作业的方式、 方法以及操作时的起坐频率； 5) 工作台面与座椅的高度， 有无足够的容膝空间； 6) 操作者随意采取的体位。 第第4 4章章 人体力学人体力学 4.4.2 确定作业姿势的一般原则 不同的人体姿势所造成的肌肉负荷一般可用伴随肌肉收缩所产生的生物电位的变化即肌电图来显示。 人机工程学学者曾选择了人体的13种姿势、 具有代表性的21处肌肉群， 通过肌电图得出如图4 - 10所示的结果。 第第4 4章章 23、人体力学人体力学 图4 - 10 姿势对肌肉的影响第第4 4章章 人体力学人体力学 姿势对心血管系统的影响如表4 - 4所示。 为保障操作者的身体健康、 提高作业效率， 在确定作业姿势时， 一般应遵循如下原则： 1) 操作者的作业姿势一般以坐姿为好， 其次是坐立姿， 当工作过程非立姿不可时， 才选择立姿； 2) 应尽可能地使操作者采取平衡姿势， 避免因作业姿势不当而给肌肉、 关节和心血管系统造成不必要的负担； 第第4 4章章 人体力学人体力学 表4 - 4 立姿与坐姿对心血管系统的影响第第4 4章章 人体力学人体力学 3) 作业过程中， 应使操作者能自由地变换多种体位， 尽可能地使操作者身体处24、于舒适状态， 当强制保持的姿势无法避免时， 应设置适当的支撑物； 4) 确定作业姿势应与肌力的使用以及作业动作相联系， 三者应相互协调。 第第4 4章章 人体力学人体力学 4.4.3 作业中常用的姿势 1. 立姿 正确的立姿是身体各个部分， 如头、 颈、 胸、 腹等均垂直于水平面， 且身体保持平衡和稳定。 此时， 人体的重量主要由骨骼承担， 肌肉和韧带的负荷最小， 人体内各系统如呼吸、消化、 血液循环等活动的机械阻力最小。 舒适的立姿是身体自然直立或躯干稍向前倾15左右。 第第4 4章章 人体力学人体力学 在下列情况下宜采取立姿作业： 1) 常用的控制器分布在较大区域， 远远超出坐姿的最大可及25、范围时； 2) 需要用较大肌力的作业， 而坐姿不可能达到时； 3) 没有容膝空间的机器旁作业， 坐着反而不如站着舒适时； 4) 需要频繁地坐、 立的作业， 因为频繁起坐所消耗的能量比立姿的耗能量还大； 5) 单调的易引起心理性疲劳的作业。 第第4 4章章 人体力学人体力学 2. 坐姿在下列情况下应采用坐姿作业： 1) 持续时间长的静态作业； 2) 精密度较高而又要求细致的作业； 3) 需要手足并用的作业； 4) 要求操作准确性高的作业。 第第4 4章章 人体力学人体力学 4.5 人的操纵力人的操纵力 4.5.1 手臂的操纵力 1. 坐姿手臂的操纵力 图4 - 11所示为坐姿手臂操纵力的测试图，26、 由测试得出的在各种不同角度时臂力的数据， 如表4 - 5所示。 根据表中的数据设计的控制器， 95%以上的健康成年人操作时不会感到困难。 第第4 4章章 人体力学人体力学 手臂操纵力的一般规律是， 右手臂的力量比左手臂大； 手臂处于内、 外下方时， 推力、拉力均较小， 但其向上、 向下的力量较大； 拉力略大于推力； 向下的力略大于向上的力； 向内的力大于向外的力。 第第4 4章章 人体力学人体力学 图4 - 11 坐姿手臂操纵力(a) 侧视图； (b) 俯视图 第第4 4章章 人体力学人体力学 表4 - 5 坐姿手臂在不同角度和方向上的操纵力第第4 4章章 人体力学人体力学 2. 立姿手臂的27、操纵力 图4 - 12所示为立姿作业时， 手臂位于不同方位和角度时的最大拉力和推力。 由图可知， 手臂最大拉力在肩的下方180的方向上； 最大推力在肩的上方0的方向上。 伸直前臂时， 向前推的力略大于向侧面推的力。 推拉形式的控制装置应尽量布置在有利于发挥最大操纵力的位置上。 第第4 4章章 人体力学人体力学 图4 - 12 立姿手臂伸直时的最大操纵力 第第4 4章章 人体力学人体力学 3. 握力 一般男性青年右手平均瞬时最大握力可达556 N， 左手可达421 N。 握力与手的姿势和持续时间有关， 如持续1 min后， 右手平均握力下降为275 N， 左手为244 N。 表4 - 6所示为日28、本人的右手握力数据。 第第4 4章章 人体力学人体力学 表4 - 6 握力(右手) 第第4 4章章 人体力学人体力学 当紧握手柄时， 需要考虑操作者的握紧强度。 握紧强度是指手能够施加在手柄上的最大握力， 一般可用测力计测量。 在设计手工工具、 夹具、 控制器时， 需应用握紧强度数值。 年龄在30岁以上时， 其握紧强度可用下列公式计算： AGS94. 2608（ - 5）式中：GS手的握紧强度(N)； A年龄(岁)。 第第4 4章章 人体力学人体力学 利用手柄操纵时， 操纵力的大小与手柄距离地面的高度， 操纵方向， 哪只手操作等因素有关， 表4 - 7所示为使用手柄操纵时最适宜的力的数据。 第第4 4章章 人体力学人体力学 表4 - 7 应用手柄操纵时最适宜的力 第第4 4章章 人体力学人体力学 4. 拉力和推力 在立姿手臂水平向前自然伸直的情况下， 男性平均瞬时拉力可达689 N， 女性可达378 N。当手作前后方向运动时，