体操运动的物理学原理
一、体操运动中平衡原理
平衡有稳定平衡、不稳定平衡和随意平衡等。在体操动作中有身体重心位于支点下方的，如单杠上的悬垂姿势；也有身体重心位于支点上方的，如手倒立。动作平衡必须具备有两个条件，其一是物体所受的合外力等于零；其二是物体所受的合外力矩等于零。
1.稳定平衡
人体重心位于支点下方，当偏离平衡位置时，重力作用产生使人体恢复到原来平衡位置的力矩属于稳定平衡。其特点是当人体平衡状态被破坏时，人体重心位置将比原来位置升高，当破坏因素消除后，人体在重力矩的作用下，使重心回复到原来的位置，自动恢复到平衡状态如单杠悬垂。
2.不稳定平衡
人体重心位于支点上方，当偏离平衡位置时，重力作用产生使人体离开原来平衡位置而倾倒的力矩属不稳定平衡。如何在不稳定平衡中保持平衡，取决于完成动作时身体重心高度和支撑面积的大小，例如，头手倒立，由于头手倒立的稳定角（重力线与重心至支撑面边缘联线之间的夹角）要比手倒立的大。所以在一般情况下影响动作稳定因素，主要决定于身体重心的高低与支撑面积的大小。重心高，支撑面积小，其稳定性就小，反之稳定性就大。即稳定角大，稳定性就大，稳定角小，稳定性就小。头手倒立要比手倒立容易稳定。
二、体操中的牛顿第二定律
（一）牛顿第二定律
第二定律：力是物体产生加速度的原因，力等于物体的质量乘以加速度（F=ma）。力与加速度、物体的质量成正比，加速度与质量成反比，力的方向与加速度的方向相一致。
（二）在体操练习中，运用牛顿第二定律应注意的问题
1.用力的大小要根据动作的需要而定，不是用力越大越好。如技巧的手倒立，腿蹬摆的力量太小，动作完不成，力量太大又会前翻。
2.用力方向应根据不同动作的需要而定。原地垂直向上运动的动作，人体应垂直向下用力。如原地纵跳等。斜方向动作或要加大水平速度的动作。应向人体运动相反的斜方向用力，如助跑与鱼跃前滚翻，腿应往后下方蹬地。人体已具备向前的水平速度运动时，为提高腾空的高度，蹬地的用力方向应向前下蹬，形成一定的夹角。如跳马的踏跳，由于助跑时已获得水平速度v。，踏跳时腿向前下蹬板，作用力F所获得的反作用力F′，使人体产生一个指向后上方的速度V2，v1与V2的合速度V向前上方，人体就腾得高而远。这种踏跳的方法，叫制动性踏跳，与此相同的推手方法叫制动性推手。
三、体操的转动定律
量度物体转动时惯性大小的物理量叫转动惯量，转动惯量为转动物体的质量乘它的回转半径的平方（I=mr2）。体操器械中特别是单杠和高低杠，通常都是人体在支撑或悬垂状态完成各种摆动（或转动）动作。当力作用于人体时，力的作用线至转动轴之间的垂直距离叫做力臂（d），力乘力臂叫做力距（M=pd）。当力不通过人体重心时便产生了力矩，力矩是转动动作的依据。如果力通过人体重心时，则力臂为零，力矩也为零，物体只能平动而不能转动。
当作用力为人体重力时，重力作用线到转动轴之间的垂直距离叫重力臂。重力臂（d）乘重力（p）称重力矩（M重=pd）。人体在器械上摆动，下摆时重力矩为动力矩；上摆时重力矩为阻力矩。如果在下摆时加长重力臂，则重力矩亦大，摆动效果亦好。又如在上摆时缩短重力臂，减小重力矩，则摆动效果加大，其因是减小了阻力矩。
四、体操中的机械能与机械能转换
位能和动能是机械能的两种形式。位能（势能）指身体处于某一高度时，由于重力作用，身体本身具有的一种能量；重力位能是人体与地面或器械之间相对高度所决定的能量，其表达方式为Ep=mgh。由于mg是恒量，所以重力位能的大小决定于身体重心与地面或器械的高度差h。在做摆动动作时，身体摆得越高则重力位能越大。另一种位能，即器械的弹性位能，由于身体在器械上运动而使器械产生形变，形变量越大，具备的弹性能量越大，故弹性位能的大小与器械形变程度有关。例如，振浪技术与腾越动作的出现，无疑与器械的弹性性能有直接关系。
转动动能是指人体在转动中所具有的能量，其表达式为Ek=1/2jω2。转动动能的大小决定于转动惯量与角速度平方的乘积。所以摆动动作在下摆时要尽量伸展身体，使身体重心远离旋转轴；上摆时，要通过主动用力来缩小髋、肩关节的角度等方法，以缩小总重心至转轴的距离，从而增大角速度完成动作。
位能和转动能可以相互转化，因此研究摆动动作时，为了便于分析，通常把它划分为三个阶段，即增加位能阶段、位能转为动能阶段、利用动能阶段。
体操运动的力学原理
一、人体的内部力量
人体各部分之间相互作用的力叫内力。内力产生于人体内部，它包括肌肉张力和人体组织的被动阻力。
（一）肌肉张力
在中枢神经系统调节下，肌肉收缩而产生的力叫做肌肉张力。由于肌肉内力的作用点与反作用点是在人体内部，因此，只能引起人体肢体的相对运动，而不能使人体在空间产生位移，即不能改变人体重心运动的轨迹。但是当研究某一机体环节的运动规律时，肌肉的收缩对于被牵引的环节来说，也可看作是外力，可使该环节运动，并可改变总重心在人体的相对位置。如人体在腾空时，屈体姿势的重心处在体前，挺身姿势的重心处在体后，但总重心在空间的位置并不因屈体而变化。肌肉张力是完成动作的重要问题。决定肌肉力量的因素很多，在练习中如能注意以下问题，就能较有效地发挥肌肉的力量，促使动作的完成。
1.做好准备工作
减小肌肉与关节的被动阻力。如，做好准备活动提高适宜的兴奋性与体温；有良好的学习情绪，以及动作的要领明确，能做到用力部位正确，发力适时，强度适当。
2.适当拉长原动肌的初长度
肌肉适当拉长可增加工作距离，又可使肌肉具有一定的弹力，从而提高肌肉收缩的速度和力量。如做向前踢腿时，先要挺开髋关节。
3.调整呼吸
呼吸在一定程度上可以改变肌肉的紧张度。憋气可固定胸廓与紧腰，促使四肢更好发力。所以做强度较大的用力和快速用力的动作时，应憋气；做一般的静止姿势时，应浅呼吸。深呼吸会放松肌肉，不利于动作的完成。
4.正确调整头部的姿势
头部在运动时会产生状态反射，它能加强同侧肌群的紧张度，减弱异侧肌群的紧张度。如抬头时有利于充分挺身等。
（二）被动阻力
人体组织与器官的被动阻力（指肌肉韧带、关节软组织及内脏器官）也是内力的一种，在一定条件下也会影响人体的运动。如果关节、韧带过紧或过松都会影响完成动作的质量。因此关节、韧带肌肉等组织的柔韧性和伸展性好坏，直接影响到完成体操动作的质量。
二、作用于人体的外部力量
凡有外部物体作用于人体的力称外力，如人体重力、支撑反作用力、器械形变弹力、摩擦力等。
1.人体重力
地球对人体的引力叫人体重力。人体重力（p）是人体质量（m）与重力加速度（g）之乘积（p=mg）。重力的方向垂直向下，人体做自上而下的运动时，重力成为动力；自下而上运动时重力成为阻力。人体各部分重心具有两个明显的特点，一是重心位置不固定；二是重心可移至体外。外力若通过人体总重心时，人体作直线运动；外力若不通过人体总重心时，人体作转动运动。做静止姿势和用力动作时，如何控制重心是极为重要的。
2.支撑反作用力
当人体施力于器械或地面时，器械或地面便产生一个大小相等、方向相反的力作用于人体，这就是支撑反作用力。支撑反作用力又可分为静态支撑反作用力和动态支撑反作用力。静态支撑反作用力是人体静止地站立地面或器械时，地面或器械对人体便产生一个与体重大小相等、方向相反且在同一直线上的反作用力，F=-P，即两力平衡，人体处于相对静止状态。例如，手倒立、直角支撑等动作。动态支撑反作用力是人体在地面或器械上做向上或向下的加速度运动时，地面或器械对人体产生的反作用力。此力在量值上等于人体重力与惯性力（惯性力Fi的数值为人体质量m与人体重力相对于支撑点所具有的瞬时加速度a之乘积，惯性力的方向与加速度方向相反，即F=-ma）之和，即F=P+Fi。如果要加大动态支撑反作用力的瞬时值，人体重心应具有离向支撑点的瞬时加速度。
3.摩擦力
一个物体在另一物体表面上运动时受到的表面阻力叫摩擦力。摩擦力（f）的量值为物体的摩擦系数（u）与物体的正压力（N）之乘积（f=uN）。摩擦系数与物体表面粗糙程度有关。摩擦力的方向与人体运动或企图运动的方向相反。摩擦力在体操练习中有时可成为动力，有时也可成为阻力。增减摩擦力的方法有两种：即增减摩擦系数和增减正压力。
例如，鞍马练习时擦上滑石粉是减小摩擦系数以减小摩擦力。单杠上练习骑撑前回环、支撑后回环等回环动作，在回环过程中手握杠不宜太紧，适当减小正压力以减小摩擦力，有利做回环动作。但当回环过程要结束前，手应握紧杠面，加大正压力以加大摩擦力，有利于动作转入静止状态。
4.器械形变弹力
当施力于器械时，器械就会发生形变，在器械恢复原形所产生的力叫器械形变弹力。从虎克定律得知，在器械的弹性限度内，弹力的量值和物体的形状变化（伸展或压缩）或位移（S）成正比。弹力方向与器械位移的方向相反，即Fe=-KS（式中K为弹性系数）。充分利用这种器械形变弹力，能更好地完成动作。例如：双杠外侧坐越两杠下，是利用杠子的弹性和反弹时间来完成的。但必须根据器械形变的恢复周期来确定完成动作的最好时机。又如，用踏跳板做踏跳时，板的形变度小，变形周期（时间）短，踏跳时间就要短促；若用弹跳板做踏跳，板的形变度大，变形周期（时间）长，踏跳的时间相应要长些。
5.向心力与离心力
当人体在器械上做弧形和旋转动作时，就会受到一个与人体运动方向垂直、沿着半径指向圆心的向心力的作用。向心力是器械拉引（约束）人体并使人体重心运动轨迹呈曲线的力；向心力的反作用力叫离心力，它是沿半径远离圆心的力，这一对力是典型的作用力和反作用力，它们大小相等、方向相反，作用于不同物体上。向心力的大小为Fi=mu2/r（或mω2r）。式中m为身体质量，v为身体质心运动线速度，r为旋转半径。例如，单杠上作大回环时，向心力作用于人体重心而指向单杠。
三、内力与外力的关系
在体操训练练习中，外力决定并影响人体做各种复杂形式的运动，但从本质上说，内力是主导的，其中肌肉是唯一的主动力，是在神经控制下表现的肌力。人体运动时，总是通过利用、克服或抵消外力来完成动作，每个动作都是外力与内力互相作用。在分析具体动作时，必须同时考虑内力和外力两个方面的因素。
体操运动的原则
一、自觉性原则
自觉性原则是指通过宣传教育，使学生认识并感受到参加健身的重要性，激发健身者参加体操锻炼的动机和兴趣，促使他们积极主动、自愿地参加健身活动。
自觉、自愿地参与是确保健身运动达到理想效果的重要前提。为促进健身者积极参加健身活动，应注意加强健身目的、意义的宣传教育，重视健身基本理论知识的传授，使健身者明确“生命在于运动”的道理，充分认识体育锻炼对身心健康的重要价值，明确从事体操锻炼的直接目标和最终目的。健身习惯的形成是一个长期的过程，积极的情绪体验和心理满足以及健身效果的及时评定，是良好健身习惯形成的重要因素。因此，在体操健身活动中应尽可能提供丰富的内容、手段与方法，满足不同人群的需求，并有组织、有计划地进行健身效果的评定，使健身者及时了解自己的进展情况，以提高他们的积极性。
二、渐进性原则
渐进性原则是指在进行体操锻炼时必须根据人体的发展规律和个人的实际情况，逐步地提高锻炼要求。负荷锻炼的形式由简到繁，强度要由小到大，负荷时间由短到长，负荷量由少到多。对于长期从事体操锻炼的人来说，应遵循增进健康的原则，结合自身状况不断调节锻炼的节奏，以达到愉悦身心的目的。每次锻炼还要注意做好准备活动。
三、针对性原则
针对性原则是指健身者根据主客观的需要和条件，有针对性地进行健身活动，即从个人的学习、工作和生活需要出发，根据自己的年龄、性别、健康状况、兴趣爱好、传统习惯、职业特点、作息制度、自然条件、可用的健身器材设施和场地等因素，确定自己健身锻炼计划。体操的内容丰富，选择针对性强而且有效的健身内容、方法和手段十分重要。参加健身活动的人有男有女，有老有少，每个人的健康状况和锻炼基础各不相同。因此，每个人的锻炼内容和方法也不应该是千篇一律的，而应因人而异。同一个体的不同时期，健身的内容与方法也不能一成不变，而是应该根据自己的锻炼效果、健康状况等灵活掌握。
四、全面性原则
全面性原则是指健身者从生物、心理、道德、社会的四维健身观出发，促进身体形态、功能、体能的和谐发展，愉悦身心，全面提高健康水平。人体是完整统一的有机体，局部器官、系统的结构和功能是整体不可分割的一部分，而不能代替整体。整体的结构和功能又可以在局部得到反映。因此，参加体操锻炼者应从自身的条件出发，做到重点突出，兼顾其他，让身体各个部位、各个系统都得到锻炼。
五、经常性原则
经常性原则是指健身活动必须尽可能地经常进行，并在长期坚持中形成健身的习惯，使之成为日常生活中的组成部分，从而达到理想的健身效果。体育健身贵在坚持，锻炼效果的良性积累是一个长期的过程。5天工作制的实施为大众参加体操健身活动提供了更多的时间，随着体育健身的社会化及全民健身活动的开展，还能为大众积极参加健身活动提供更广阔的空间。因此，科学安排健身时间及锻炼负荷并长期坚持，是健身活动达到良好效果的必然规律。
安全性原则是指在从事体操健身活动的过程中，要充分考虑健身的场所、内容、方法、手段的安全因素，防止伤害事故的发生。参加体育锻炼的根本目的是为了增进健康，为此，健身者应从如下几个方面考虑健身的安全因素：
①健身场所是否有安全隐患；
②充分做好准备活动；
③仔细检查需要使用的器械；
④练习时要集中精力；
⑤服装舒适，不佩带其他物品；
⑥同伴之间练习时要注意保护与帮助；
⑦感觉疲劳或精神不好时，应暂停训练；
⑧不做与自己能力不相称的难度动作。
小知识：徒手操臂前举与臂屈伸。
臂前举（摆）：臂与肩平，两臂与肩同宽，掌心相对，五指并拢。
上举：肩上举，两臂伸直与肩同宽，掌心相对，五指并拢。
侧平举：两臂伸直侧举成水平位，五指并拢，掌心向下。
斜上举：臂斜上举（45°角），两臂之间夹角为90°，掌心相对。
臂屈伸：由屈臂姿势开始，向各方向伸直还原。
