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
Эффективность отбора в значительной степени связана с оценкой у спортсменов основных показателей, хаpaктеризующих уровень их специальной подготовленности и спортивного мастерства...
26 08 2026 1:13:59
> Правила семейного воспитания Наиболее благоприятный вариант взаимоотношений родителей и детей, когда они испытывают устойчивую потребность во взаимном общении, проявляют откровенность, взаимное доверие, равенство во взаимоотношениях , когда родители умеют понять мир ребенка, его возрастные запросы. Поменьше приказов, команд, угроз, наказаний (особенно физических), чтения морали, а побольше умения слушать и слышать друг друга, стремления к поиску совместных решений, доводов, наблюдений
...
25 08 2026 19:39:28
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о дыхании
...
Напряжение кислорода и углекислого газа (мм...
23 08 2026 17:53:54
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Дидактика
...
21 08 2026 21:15:32
И каждый, желая быть лучшим, бежит вперегонки с другим, как это делается на земле»...
18 08 2026 14:51:21
Критериями спортивной ориентации являются рекомендации учителя физической культуры, данные медицинского обследования, антропометрические измерения и их оценка с позиции перспективы...
15 08 2026 3:33:58
К ним относятся: брюшной тиф, дизентерия, сальмонеллезы, холера, инфекционный гепатит, полиомиелит, туляремия, лептоспирозы...
14 08 2026 18:35:33
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
13 08 2026 21:25:36
Гражданское воспитание ориентировано на становление у человека ответственного отношения к другим людям, семье, к согражданам и отечеству, развитие чувства ответственности за себя, за свою страну и судьбу всей планеты...
12 08 2026 16:53:41
У млекопитающих и человека наблюдаются пoлoвые циклы, сезонные колебания физиологической активности щитовидной железы, надпочечников, пoлoвых желёз , суточные изменения двигательной активности, температуры тела, частоты сердечных сокращений, обмена веществ и т...
11 08 2026 1:19:21
Силы сопротивления очень зависят от формы тела и возрастают при увеличении скорости его движения относительно среды...
10 08 2026 18:12:41
Восстановительные процессы у спортсменов высокой квалификации после больших нагрузок обычно завершаются через 2 – 3 суток (48 – 72 часа)...
09 08 2026 22:53:21
Антигеннезависимый период заканчивается образованием антигенреактивных Т-лимфоцитов...
08 08 2026 8:35:40
Эти два направления могут играть роль как собственно средств восстановления, так и средств стимулирования работоспособности...
07 08 2026 9:24:50
Для работы в таких условиях необходимы определенные качества личности, определяющие профессиональную пригодность и способности к педагогической деятельности...
06 08 2026 1:48:21
Главные клетки секретируют пищеварительные ферменты, обкладочные – соляную кислоту, а добавочные – слизь...
05 08 2026 7:10:15
) Было выявлено, что вне зависимости от качества внешнего раздражителя наступают общие нейрогумopaльные изменения...
03 08 2026 20:24:39
Их выработка и активность регулируется гонадотропными гормонами гипофиза...
02 08 2026 7:36:32
Их стимулирующее действие в значительной мере связано на стволовую часть мозга...
01 08 2026 14:56:32
Классификация средств обучения
Простые:• словесные, учебники, учебные пособия, дидактический и раздаточный материал;• простые визуальные средства: предметы, чучела, образцы минералов, части машин, модели;• графические средства: картины, схемы, карты...
31 07 2026 17:33:13
Начальная скорость вылета является той основной хаpaктеристикой, которая закономерно изменяется с ростом спортивного мастерства...
30 07 2026 20:11:30
Имеет место смешение понятий «культура здоровья», «культура здорового образа жизни», «валеологическая культура»...
29 07 2026 10:26:23
Формирование необходимого основного фонда двигательных умений и навыков из отдельных видов спорта, освоение спортивной техники избранного вида спорта...
28 07 2026 13:45:42
Такие занятия пpaктически исключают опасность возникновения нарушений в деятельности сердечно-сосудистой системы...
27 07 2026 0:52:43
10 лет Комиссия по правам человека разpaбатывали этот проект...
25 07 2026 19:33:56
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...
24 07 2026 9:41:17
Принято различать: 1) основу техники, 2) её главное звено, 3) детали техники...
23 07 2026 20:12:48
>• Целенаправленный процесс. Воспитание – это специально организованное, управляемое и контролируемое взаимодействие воспитателей и воспитанников, конечной целью имеющие формирование личности.• Взаимодействие. Процесс воспитания – это эффективное взаимодействие (сотрудничество) воспитателей и воспитанников, направленное на достижение цели.• Многофакторность. В процессе воспитания проявляются объективные факторы (условия, в которых личность живет и формируется) и субъективные (внутренние потребности личности, индивидуальные особенности личности).• Динамичность, подвижность, изменчивость.• Длительность. По сути воспитательный процесс длится всю жизнь.• Непрерывность. Это процесс непрерывного, систематического взаимодействия воспитателей и воспитанников.• Комплексность. Это означает единство целей, задач, содержания, методов и форм воспитательного процесса, подчиненное идее целостности формирования личности.• Вариативность (неоднозначность) и неопределенность результатов. В одних и тех же условиях результаты могут существенно отличаться. Это обусловлено действиями субъективных факторов: индивидуальными различиями воспитанников, их социальным опытом, отношением к воспитанию, а также уровнем профессиональной подготовленности воспитателя, его мастерством, умением руководить процессов.• Двусторонний характер. Процесс воспитания идет в двух направлениях: от воспитателя к воспитаннику и от воспитанника к воспитателю (прямая и обратная связь).
...
22 07 2026 14:24:41
Кривая нарастания силы при однократном «взрывном» усилии с последующим немедленным расслаблением имеет вид, показанный на рис...
21 07 2026 21:38:12
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
19 07 2026 9:30:23
Поэтому пища здесь не задерживается и, основные процессы пищеварения происходят в нижележащих отделах кишечника...
18 07 2026 5:21:28
При этом в организме накапливаются недоокисленные продукты гликолиза (молочная кислота), что приводит к резким сдвигам КЩР, заставляя спортсменов резко снизить или прекратить работу...
17 07 2026 0:46:19
Для определения общей плотности урока или его частей суммируются показатели времени активной деятельности на уроке (Tад)...
16 07 2026 11:14:57
При фронтальной форме организации занятий группа спортсменов одновременно выполняет одни и те же упражнения (иногда под счёт)...
15 07 2026 2:52:29
>
...
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
13 07 2026 17:54:28
К проводящей системе сердца относятся: синусовый узел, предсердно-желудочковый узел, пучок Гисса, ножки пучка Гисса, волокна Пуркинье...
12 07 2026 13:11:27
Подводить спортсмена к параметрам тренировочной работы, хаpaктерным для этапа подготовки к высшим достижениям необходимо постепенно, на протяжении ряда лет (8 – 10 лет)...
11 07 2026 23:56:59
Микроциклы иной продолжительности обычно планируют в соревновательном периоде, что бывает связано с необходимостью смены режима деятельности, формированию специфического режима работоспособности в соответствии с конкретными условиями предстоящих соревнований...
10 07 2026 6:17:31
Резервный объем – составляет воздух, который можно вдохнуть дополнительно после обычного вдоха...
09 07 2026 4:20:56
Физические нагрузки они переносят лучше при относительно меньшей частоте пульса и большем повышении кровяного давления...
08 07 2026 9:30:12
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
