Потенциальная и кинетическая энергия. Понятие «механическая работа»
Источник:
|
Мышцы, приводящие в движение звенья тела, совершают механическую работу.
Работа в некотором направлении – это произведение силы (F), действующей в направлении перемещения тела на пройденный им путь (S): А = F • S.
Выполнение работы требует энергии. Следовательно, при выполнении работы энергия в системе уменьшается. Поскольку для того чтобы была совершена работа, необходим запас энергии, последнюю можно определить следующим образом: Энергия – это возможность совершить работу, это некоторая мера имеющегося в механической системе « ресурса» для её выполнения. Кроме того, энергия – это мера перехода одного вида движения в другой.
В биомеханике рассматривают следующие основные виды энергии:
• потенциальная, зависящая от взаимного расположения элементов механической системы тела человека;
• кинетическая поступательного движения;
• кинетическая вращательного движения;
• потенциальная деформации элементов системы;
• тепловая;
• обменных процессов.
Полная энергия биомеханической системы равна сумме всех перечисленных видов энергии.
Поднимая тело, сжимая пружину, можно накопить энергию в форме потенциальной для последующего её использования. Потенциальная энергия всегда связана с той или иной силой, действующей со стороны одного тела на другое. Например, Земля силой тяжести действует на падающий предмет, сжатая пружина – на шарик, натянутая тетива – на стрелу.
Потенциальная энергия – это энергия, которой обладает тело благодаря своему положению по отношению к другим телам, или благодаря взаимному расположению частей одного тела.
Стало быть сила тяготения и упругая сила являются потенциальными.
Гравитационная потенциальная энергия: Еп = m • g • h
Потенциальная энергия упругих тел: , где k – жёсткость пружины; х – её деформация.
Из приведённых примеров видно, что энергию можно накопить в форме потенциальной энергии (поднять тело, сжать пружину) для последующего использования.
В биомеханике рассматривают и учитывают два вида потенциальной энергии: обусловленную взаимным расположением звеньев тела к поверхности Земли (гравитационная потенциальная энергия); связанную с упругой деформацией элементов биомеханической системы (кости, мышцы, связки) или каких-либо внешних объектов (спортивных снарядов, инвентаря).
Кинетическая энергия запасается в теле при движении. Движущееся тело совершает работу за счёт её убыли. Поскольку звенья тела и тело человека совершают поступательное и вращательное движения, суммарная кинетическая энергия (Ек) будет равна: , где m – масса, V – линейная скорость, J – момент инерции системы, ω – угловая скорость.
Энергия поступает в биомеханическую систему за счёт протекания в мышцах метаболических обменных процессов. Изменение энергии, в результате которого совершается работа, не является высокоэффективным процессом в биомеханической системе, то есть не вся энергия переходит в полезную работу. Часть энергии теряется необратимо, переходя в тепло: только 25 % используется для выполнения работы, остальные 75 % преобразуются и рассеиваются в организме.
Для биомеханической системы применяют закон сохранения энергии механического движения в форме:
Епол = Ек + Епот + U,
где Епол – полная механическая энергия системы; Ек – кинетическая энергия системы; Епот – потенциальная энергия системы; U – внутренняя энергия системы, представляющая в основном тепловую энергию.
Полная энергия механического движения биомеханической системы имеет в своей основе два следующих источника энергии: метаболические реакции в организме человека и механическая энергия внешней среды (деформирующихся элементов спортивных снарядов, инвентаря, опopных поверхностей; противников при контактных взаимодействиях). Передаётся эта энергия посредством внешних сил.
Особенностью энергопродукции в биомеханической системе является то, что одна часть энергии при движении расходуется на совершение необходимого двигательного действия, другая идёт на необратимое рассеивание запасённой энергии, третья сохраняется и используется при последующем движении. При расчёте затрачиваемой при движениях энергии и совершаемой при этом механической работы тело человека представляют в виде модели многозвеньевой биомеханической системы, аналогичной анатомическому строению. Движения отдельного звена и движения тела в целом рассматривают в виде двух более простых видов движения: поступательного и вращательного.
Полную механическую энергию некоторого i-го звена (Епол) можно подсчитать как сумму потенциальной (Епот) и кинетической энергии (Ек). В свою очередь Ек можно представить как сумму кинетической энергии центра масс звена (Ек.ц.м.), в которой сосредоточена вся масса звена, и кинетической энергии вращения звена относительно центра масс (Ек. Вр.).
Если известна кинематика движения звена, это общее выражение для полной энергии звена будет иметь вид: , где mi – масса i-го звена; ĝ – ускорение свободного падения; hi – высота центра масс над некоторым нулевым уровнем (например, над поверхностью Земли в данном месте); - скорость поступательного движения центра масс; Ji – момент инерции i- го звена относительно мгновенной оси вращения, проходящей через центр масс; ω – мгновенная угловая скорость вращения относительно мгновенной оси.
Работа по изменению полной механической энергии звена (Аi) за время работы от момента t1 до момента t2 равна разности значений энергии в конечный (Еп(t2)) и начальный (Еп(t1)) моменты движения:
Естественно, в данном случае работа затрачивается на изменение потенциальной и кинетической энергии звена.
Если величина работы Аi > 0, то есть энергия увеличилась, то говорят, что над звеном совершена положительная работа. Если же Аi < 0, то есть энергия звена уменьшилась, - отрицательная работа.
Режим работы по изменению энергии данного звена называется преодолевающим, если мышцы совершают положительную работу над звеном; уступающим, если мышцы совершают отрицательную работу над звеном.
Положительная работа совершается, когда мышца сокращается против внешней нагрузки, идёт на разгон звеньев тела, тела в целом, спортивных снарядов и т. д. Отрицательная работа совершается, если мышцы противодействуют растяжению за счёт действия внешних сил. Это происходит при опускании груза, спуска по лестнице, противодействии силе, превышающей силу мышц (например в армрестлинге).
Замечены интересные факты соотношения положительной и отрицательной работ мышц: отрицательная работа мышц экономичней положительной; предварительное выполнение отрицательной работы повышает величину и экономичность следующей за ней положительной работы.
Чем больше скорость передвижения тела человека (во время легкоатлетического бега, бега на коньках, бега на лыжах и т. п.), тем большая часть работ затрачивается не на полезный результат - перемещение тела в прострaнcтве, а на перемещение звеньев относительно ОЦМ. Поэтому при скоростных режимах основная работа тратится на разгон и торможение звеньев тела, так как с ростом скорости резко растут ускорения движения звеньев тела.
Раздел статьи: Биомеханика
Павлова За открытие в этой области, обобщение новых уникальных данных по проблеме в труде «Лекции о работе пищеварительных желез» И...
12 01 2026 4:26:58
Систола предсердий, когда желудочки расслаблены и заполняются кровью...
11 01 2026 15:35:52
Эти же процессы лежат в основе аллергических заболеваний...
10 01 2026 0:18:14
Когда-то они входили в белки кудахтающих кур, флегматично жующих коров, заботливо взращенной сои...
09 01 2026 11:12:57
>• профпросвещение – формирование у учащегося положительного отношения к труду учителя Ф К (тренера по И В С);• профинформация – ознакомление учащегося с деятельностью учителя Ф К, тренера; с кругом профессий в области Ф К и С (менеджер по спорту, методист по спорту, инструктор по спорту);• профагитация – доведение до сознания учащегося общественной значимости труда учителя Ф К, тренера;• профпропаганда – привлечение учащегося к оформлению наглядности по профориентации и методического кабинета;• профдиагностика – всестороннее изучение личности учащегося: интересы, мотивация, индивидуально-типологические особенности (темперамент, характер и т.д.), занятость в свободное время.• профвоспитание1. Оказание помощи в приобретении З У Н и развитие у учащегося склонностей и способностей путем включения их в практическую деятельность по профилю выбранной специальности (проведение спортивного занятия, тренировки, участие в проведении внеклассных спортивных мероприятий), при этом реализуется один из принципов психологии развитие личности в деятельности.2. Формирование устойчивого интереса к выбранной профессии, благодаря качественно проведенным занятиям и спортивным мероприятиям.3. Формирование личностных качеств, включающих следующие компоненты:- профессионально-педагогический: интерес к профессии, к Ф К и С, любовь к детям, значимые мотивы выбора профессии, качества личности (педагогический такт, принципиальность, справедливость);- мировоззренческий проявляется в моральных качествах, в осознании общественного долга, ответственности, общественной активности;- познавательный направлен на овладение знаниями, на стремление к самосовершенствованию, на творческое отношение к работе и учебе.4. Формирование у учащегося аналитического подхода к выбору профессии на основе оценки своих способностей.• профконсультацииа) ознакомление с требованиями, предъявляемыми к личности учителя Ф К, тренера.б) оказание помощи в выборе конкретной специальности, в выборе физкультурного учебного заведения.• профадаптация - осуществление контроля и помощи выпускникам в овладении профессией в процессе учебы в физкультурном вузе. Важную роль в ориентации учащихся на педагогическую деятельность играет личность педагога. Учитель Ф К, тренер являет собой агитационный «плакат», призывающий к выбору именно его профессии (... или отталкивающий). Спортивные наставники призваны помочь разрешить юным спортсменам вопрос «кем быть?» и показать им «какими они должны быть».« Трудно переоценить роль личности учителя, его духовного облика в пробуждении и развитии способностей, наклонностей, талантов ученика». ( В. А. Сухомлинский). Работа по профессиональной ориентации в вузе на учительскую профессию может эффективно осуществляться по направлениям:1. согласованное и преемственное взаимодействие школы и педагогического вуза по профессиональной ориентации школьников и студентов;2. выполнение студентами дифференцированных корректировочных программ по профориентации с учетом типологических особенностей, характеризующихся наличием довузовского опыта педагогической деятельности и мотивов выбора профессии учителя;3. вовлечение студентов в различные виды профориентационной деятельности в школах с целью корректировки мотива выбора учительской профессии. Таким образом, подготовка к профессии учителя должна начинаться задолго до того, как человек делает свой профессиональный выбор, и продолжается в процессе его профессиональной подготовки в соответствующем учебном заведении.
...
08 01 2026 6:52:57
У всех локомоторных движений общая двигательная задача – усилиями мышц передвигать тело человека относительно опоры или среды...
07 01 2026 3:27:41
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Сенсорные системы»
...
06 01 2026 0:38:54
Теория и методика избранного вида спорта 2 | ...
04 01 2026 7:42:15
Принцип целостности, упорядоченности - означает достижение единства и взаимосвязи всех компонентов педагогического процесса...
02 01 2026 19:26:19
> Процесс дыхания представляет собой процесс управления легочной вентиляцией для обеспечения оптимального газового состава внутренней среды организма. Основную роль в регуляции дыхания играют рефлекторные реакции, возникающие в результате возбуждения специфических рецепторов, заложенных в легочной ткани, сосудистых рефлексогенных зонах и скелетных мышцах. Центральный аппарат регуляции дыхания представляют нервные образования спинного мозга, продолговатого и вышележащих сегментов Ц Н С.
...
01 01 2026 2:31:21
Магнус утверждал, что регулярные соревнования в лыжных гонках проводили лапландцы – жители Скандинавии и запада Кольского полуострова...
31 12 2025 22:40:40
65
3
Показатели ЭКГ
0...
30 12 2025 14:30:59
Тело человека не могло бы выполнять разнообразные двигательные функции, если бы отсутствовала опopная конструкция – костный скелет, который формируют порядка 206 костей...
28 12 2025 19:51:21
В период вpaбатывания налаживается необходимый стереотип движений, происходит мобилизация вегетативных функций тех систем организма, которые в основном обеспечивают выполнение данной работы...
27 12 2025 8:53:58
Содержание обучения составляют в основном научные знания о мире, обучение влияет преимущественно на интеллект...
26 12 2025 23:31:19
) Было выявлено, что вне зависимости от качества внешнего раздражителя наступают общие нейрогумopaльные изменения...
24 12 2025 4:46:50
От других тренировочных упражнений их отличает: 1) установка при выполнении данных упражнений ориентирована на решение тактических задач; 2) в упражнениях пpaктически моделируется отдельные тактические приёмы и ситуации соревновательной борьбы; 3) в некоторых случаях моделируются и внешние условия соревнований;
2) видами спортивной тактики (наступательной, оборонительной, контратакующей);
3) формами спортивной тактики (индивидуальной, групповой, комaндной)...
23 12 2025 8:38:41
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
21 12 2025 11:48:10
Человек, добывая из почвы воду, производя различные земляные, подземные сельскохозяйственные работы, постоянно подвергается различным воздействиям отдельных почвенных факторов...
20 12 2025 11:28:31
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
19 12 2025 1:24:30
Витамины...
17 12 2025 20:19:19
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
16 12 2025 0:16:29
Общественные цели – цели различных слоев населения, отражающие потребности, интересы и запросы по профессиональной подготовке...
15 12 2025 3:35:53
Что происходит в жизни ребенка, искреннее любопытство к его детским проблемам, желание понимать и наблюдать за всеми изменениями, которые происходят в душе и сознании растущего человека...
14 12 2025 19:47:13
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
13 12 2025 15:54:40
В то, что организм работает на износ, это дело второе...
12 12 2025 4:28:34
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Дидактика
...
10 12 2025 19:12:51
>
...
Фактически именно с них начинается вся система выведения желчи в кишечник...
08 12 2025 14:55:26
> Система физического воспитания в Российской Федерации
Понятие о системе физического воспитания в стране и её структуре
Цель и задачи физического воспитания
Общие социально-педагогические принципы системы физического воспитания
...
06 12 2025 11:19:17
Активная борьба с допингами началась после Олимпиады в 1960 году в Риме, погиб Енсен датский велогонщик, применивший прямо на дистанции велогонки амфетамин...
04 12 2025 22:27:25
Физические нагрузки они переносят лучше при относительно меньшей частоте пульса и большем повышении кровяного давления...
03 12 2025 14:26:33
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
02 12 2025 11:47:18
Самый первый и элементарный уровень регуляции – внутрисердечный...
01 12 2025 15:17:34
Определить каждому классу места для проведения гимнастики до занятий и подвижных игр на переменах
4...
29 11 2025 7:41:57
При фронтальной форме организации занятий группа спортсменов одновременно выполняет одни и те же упражнения (иногда под счёт)...
28 11 2025 1:52:39
Количество всасывающихся веществ не зависит от потребностей организма (за исключением меди и железа), они пропорционально потрeблению пищи...
27 11 2025 17:16:52
Критериями спортивной ориентации являются рекомендации учителя физической культуры, данные медицинского обследования, антропометрические измерения и их оценка с позиции перспективы...
26 11 2025 0:20:57
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
Ромашка повышает или понижает давление: как она влияет на его уровень у человека?
Коричневые выделения при беременности: норма и патология 
Формы обучения 
Методы физического воспитания 
Словесные методы (методы речевого воздействия)