Потенциальная и кинетическая энергия. Понятие «механическая работа» > Русский спорт - научная база
Русский спорт - научная база    


Потенциальная и кинетическая энергия. Понятие «механическая работа»

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: Энергияэто 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 энергияэто 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


Классификация видов спорта

Классификация видов спорта  «Олимпийская квалификация» Наиболее распространённые виды спорта включены в программу летних и зимних Олимпийских игр...

21 02 2024 0:31:34

Педагогическая деятельность тренера

Педагогическая деятельность тренера  Цели работы тренера:1...

19 02 2024 3:17:37

Сущность, структура и этапы педагогического процесса |

Сущность, структура и этапы педагогического процесса | > Педагогический процесс создается педагогом и имеет следующую структуру. Ц Е Л Ь – П Р И Н Ц И П Ы – С О Д Е Р Ж А Н И Е – М Е Т О Д Ы – С Р Е Д С Т В А – Ф О Р М Ы Цель отражает конечный результат педагогического взаимодействия, к которому стремятся педагог и ученик; это предвидимый результата деятельности. Принципы предназначены для определения основных направлений достижения цели. Содержание представляет собой опыт, который передается для достижения поставленной цели. Методы – действия педагога и учащихся, посредством которых передается и принимается содержание. Средства – способы «работы» с содержанием (их используют в единстве с методами). Формы придают логическую завершенность педагогическому процессу. ...

18 02 2024 19:51:46

Движения с разгоном перемещаемых тел

Движения с разгоном перемещаемых тел  Начальная скорость вылета является той основной хаpaктеристикой, которая закономерно изменяется с ростом спортивного мастерства...

15 02 2024 6:26:48

Нововведения в лыжных гонках на Урале и во всем мире

Нововведения в лыжных гонках на Урале и во всем мире  Тур разделен на четыре этапа, которые проводились в Североуральске (Свердловская область), Югорске (ХМАО-Югра) и Ханты-Мансийске (ХМАО-Югра)...

14 02 2024 17:20:32

Гигиена детей и подростков

Гигиена детей и подростков  Все показатели здоровья взаимосвязаны взаимообусловлены...

13 02 2024 6:27:41

Адаптация и проблемы рациональной подготовки спортсменов

Адаптация и проблемы рациональной подготовки спортсменов  Соревнования, особенно главные (Олимпийские игры, чемпионаты мира, крупнейшие международные региональные соревнования), связаны не только с предельными физическими нагрузками, но и с наличием экстремальных условий (жёсткая конкуренция, сложные климатические и погодные условия, особенности судейства, поведение зрителей), определяющих формирование адаптационных реакций...

12 02 2024 0:21:14

Особенности возрастного развития в старшем школьном возрасте

Особенности возрастного развития в старшем школьном возрасте  В этом возрасте замедляется рост тела в длину и увеличение его размеров в ширину, а также прирост в массе...

10 02 2024 15:31:35

Особенности методики физического воспитания в старшем школьном возрасте

Особенности методики физического воспитания в старшем школьном возрасте  Физические нагрузки они переносят лучше при относительно меньшей частоте пульса и большем повышении кровяного давления...

09 02 2024 15:55:18

Светопроведение и преломление (рефракция) света |

Светопроведение и преломление (рефракция) света | align="right"> Раздел статьи: Афофкис раздел « Сенсорные системы» ...

08 02 2024 11:35:53

Формирование долговременной адаптации

Формирование долговременной адаптации  В конце этой стадии наблюдается необходимая гипертрофия органов, слаженность деятельности различных звеньев и механизмов, обеспечивающих эффективную деятельность функциональной системы в новых условиях...

07 02 2024 19:40:17

Сложные движения

Сложные движения  Поступательным называется движение, при котором любой отрезок, проведённый между произвольными точками внутри тела, не меняет своей ориентации относительно тела отсчёта...

06 02 2024 5:46:20

Дыхательные тесты

Дыхательные тесты  В условиях максимальной нагрузки ЧД возрастает до 40-60 в 1 минуту...

05 02 2024 1:36:45

Понятие дыхания |

Понятие дыхания | align="right"> Раздел статьи: Лекции о дыхании ...

02 02 2024 18:21:42

Подготовка спортсменов высокого класса

Подготовка спортсменов высокого класса  Отбор кандидатов осуществляется с учётом следующих показателей: На данном этапе отбора необходимо выяснить, сможет ли спортсмен добиться результатов высокого международного класса, успешно выступать в ответственных соревнованиях, легко переносить исключительно напряжённую тренировочную программу и эффективно адаптироваться к применяемым нагрузкам...

01 02 2024 12:31:28

Основная педагогическая направленность занятий

Основная педагогическая направленность занятий  В основных занятиях выполняется основной объём работы, связанной с решением главных задач подготовки...

31 01 2024 5:47:52

Этапное планирование

Этапное планирование  Этапное планирование в спорте обычно имеет продолжительность от 1 – 1...

30 01 2024 9:38:35

Эффект упражнения

Эффект упражнения  Рис...

29 01 2024 6:46:31

Мужская пoлoвая система

Мужская пoлoвая система  Головка содержит ядро, впереди которого расположена структура, получившая название акросома...

28 01 2024 21:52:53

Структура тренировочных микроциклов в зависимости от типа микроцикла и этапа многолетней подготовки.

Структура тренировочных микроциклов в зависимости от типа микроцикла и этапа многолетней подготовки.    Это объясняется тем, что росту тренированности юных спортсменов в достаточной мере способствуют микроциклы, в которых преимущественно используются занятия со средними и значительными нагрузками...

27 01 2024 2:57:51

Содержание воспитание |

Содержание воспитание | align="right"> Раздел статьи: Педагогика. Воспитание ...

26 01 2024 18:22:21

Правила соревнований

Правила соревнований  Правила соревнований определяют состав судейской коллегии и должностные обязанности ее члeнов во время проведения соревнований...

24 01 2024 21:19:26

Питание

Пища представляет собой смесь животных и растительных продуктов, содержащих белки, жиры углеводы, витамины, минеральные соли и воду...

22 01 2024 0:14:24

Биомеханическая хаpaктеристика силовых и скоростно-силовых качеств

Биомеханическая хаpaктеристика силовых и скоростно-силовых   качеств  В том месте, где на кривой Хилла скорость стремится к максимуму, сила стремится к нулю...

21 01 2024 10:38:24

Пигментный обмен и печень

Пигментный обмен и печень  И образуется зеленый биливердин...

20 01 2024 5:16:16

Морфология печени

Морфология печени  Они разделены между собой серповидной связкой печени, которая подвешивает печень к диафрагме, удерживая ее в сагитальной плоскости...

19 01 2024 3:36:56

Овогенез |

Овогенез | align="right"> Раздел статьи: Афофкис раздел « Репродуктивные функции» ...

18 01 2024 14:57:21

Методические правила оздоровительной тренировки

Методические правила оздоровительной тренировки  При низкой исходной физической работоспособности добавления нагрузок должны составлять не более 3 - 5% по отношению к достигнутому уровню, а после достижения более высоких показателей - меньше...

17 01 2024 2:18:44

Оперативный контроль

Оперативный контроль  Исследуется зависимость «доза – эффект»...

16 01 2024 12:55:18

Словесные методы (методы речевого воздействия)

Словесные методы (методы речевого воздействия)  Ряд традиционных общепедагогических методов (объяснительный рассказ, беседа, обсуждение) приобрели в физическом воспитании специфические формы...

14 01 2024 0:42:31

Пищеварение в толстом кишечнике |

Пищеварение в толстом кишечнике | align="right"> Раздел статьи: Афофкис раздел « Пищеварение» ...

13 01 2024 16:34:37

Обмен газов в легких и перенос их кровью |

Обмен газов в легких и перенос их кровью | > Кислород и углекислый газ диффундируют только в растворенном состоянии, что обеспечивается наличием в воздухоносных путях водяных паров, слизи и сурфактанта. ...

12 01 2024 6:30:22

Элементарные формы проявления скоростных способностей

Элементарные формы проявления скоростных способностей  Двигательной реакцией принято называть процесс, который начинается с восприятия информации, побуждающей к действию (стартовый сигнал, ситуация имеющая сигнальное значение) и заканчивающаяся с началом ответных действий – стартовых, либо начинающихся в порядке переключения от одного действия к другому...

11 01 2024 21:37:17

Щитовидная железа |

Щитовидная железа | align="right"> Раздел статьи: Лекции о гормонах ...

10 01 2024 11:12:10

Типичные средства и методы углубленного разучивания действия

Типичные средства и методы углубленного разучивания действия  Наряду со стандартно-повторным упражнением вводятся определённые разновидности вариативного упражнения...

09 01 2024 11:23:53

Методика воспитания скоростных способностей

Методика воспитания скоростных способностей  Продолжительность отдельных упражнений – от 1-2 секунд до 15-20 секунд...

08 01 2024 19:20:10

Сенсорные системы |

Сенсорные системы | style="text-align: center;"> Сравнение нейронного потока информации и потока информации при сознательном восприятии для пяти сенсорных систем ...

07 01 2024 16:49:35

Концепция Федеральной целевой программы развития образования |

Концепция Федеральной целевой программы развития образования | align="right"> Раздел статьи: Введение в педагогику ...

04 01 2024 20:50:31

Содержательные основы оздоровительной физической культуры

Содержательные основы оздоровительной  физической культуры  Термин рекреация означает отдых, восстановление сил человека, израсходованных в процессе труда, тренировочных занятий или соревнований...

03 01 2024 12:28:47

Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 ::