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
Быстрота зависит от скорости мышечного сокращения, мощности мобилизации химической энергии в мышечном волокне и превращении её в механическую энергию сокращения...
06 10 2026 21:14:19
Оздоровительное значение физических упражнений особенно важно при гипокинезии, сердечно-сосудистых заболеваниях и т...
05 10 2026 1:33:13
> Динамические характеристики
Основные понятия и законы динамики
Динамика вращательного движения материальной точки и твёрдого тела
Центр масс тела. Равновесие. Масса тела
Виды сил в природе
Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения. Вес тела.
Силы упругости
Силы трения покоя и скольжения
Сила сопротивления при движении в воде или атмосферном воздухе
...
03 10 2026 19:23:13
> 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
...
02 10 2026 23:24:39
Стиль – это индивидуально-типологические особенности взаимодействия педагога и учащихся...
01 10 2026 22:23:48
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
Головка содержит ядро, впереди которого расположена структура, получившая название акросома...
29 09 2026 18:40:27
- провозглашение) не имеет обязательной силы...
28 09 2026 6:57:53
В свою очередь расщепление энергосубстратов возможно только после их предварительного синтеза организмом...
27 09 2026 8:59:56
К проводящей системе сердца относятся: синусовый узел, предсердно-желудочковый узел, пучок Гисса, ножки пучка Гисса, волокна Пуркинье...
26 09 2026 12:55:37
Поэтому, учет специфических особенностей вида спорта имеет первостепенное значение для выбора показателей, используемых в контроле...
24 09 2026 14:32:14
В период вpaбатывания налаживается необходимый стереотип движений, происходит мобилизация вегетативных функций тех систем организма, которые в основном обеспечивают выполнение данной работы...
23 09 2026 13:34:15
Формирование необходимого основного фонда двигательных умений и навыков из отдельных видов спорта, освоение спортивной техники избранного вида спорта...
22 09 2026 6:12:23
Их выработка и активность регулируется гонадотропными гормонами гипофиза...
21 09 2026 18:14:53
> Выдыхаемый воздух состоит из смеси альвеолярного и воздуха вредного пространства, по составу мало отличающегося от атмосферного.
...
18 09 2026 2:40:22
• Строго соблюдается частота занятий, их продолжительность и взаимосвязь...
17 09 2026 23:39:35
Обычно выделяют три возрастные зоны:
1-я зона – зона первых больших успехов;
2-я зона – зона максимальной реализации индивидуальных возможностей;
3-я зона – зона сохранения высших спортивных достижений...
16 09 2026 18:11:16
Для младшего школьного возраста ведущими на уроке являются задачи совершенствования естественных двигательных действий (ходьбы, бега, прыжков, метаний, лазаний и т...
15 09 2026 6:13:36
Их стимулирующее действие в значительной мере связано на стволовую часть мозга...
14 09 2026 23:36:56
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
13 09 2026 21:53:29
>1. Развивающее и воспитывающее обучение.2. Научность, доступность и посильная трудность (обучение на высшем уровне трудности).3. Создание оптимальных условий для обучения.4. Сознательная и творческая активность учащихся при руководящей роли преподавателя.5. Наглядность и развитие теоретического мышления.6. Системность и систематичность обучения.7. Опережающее обучение.8. Переход от обучения к самообразованию.9. Связь обучения с жизнью и практикой профессиональной деятельности.10. Прочность результатов обучения и развитие познавательных способностей учащихся.11. Положительный эмоциональный фон обучения.12. Коллективный характер обучения и учет индивидуальных способностей учащихся.13. Гуманизация и гуманитаризация обучения.14. Компьютеризация обучения.15. Интегративность обучения, учет межпредметных связей16. Инновативность обучения.
...
12 09 2026 20:25:45
К учёту предъявляют ряд требований: своевременность, объективность, точность и достоверность, полнота и наглядность...
11 09 2026 0:25:17
Небольшие нагрузки, не достигающие порогового значения, прироста адаптации не дают...
10 09 2026 7:55:45
В качестве носителей культуры выступают люди...
09 09 2026 3:42:57
Ионизирующее излучение образуется в процессе самопроизвольного превращения неустойчивых изотопов одних химических элементов в другие...
08 09 2026 14:15:29
Начальную активацию системы комплемента вызывают комплексы антиген- антитело и бактериальные агенты...
07 09 2026 4:37:52
В плазмоцитах происходит синтез антител-иммуноглобулинов...
05 09 2026 18:46:49
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
04 09 2026 4:55:11
Место массажа в лечебной пpaктикеМассаж у древних народов применялся как широко распространенный метод народной медицины...
03 09 2026 16:25:35
Физическое воспитание – процесс, направленный на воспитание личности, развитие физических возможностей человека, приобретение им умений и знаний в области физической культуры и спорта в целях формирования всесторонне развитого и физически здорового человека с высоким уровнем физической культуры...
02 09 2026 22:17:55
style="text-align: justify;"> Метод убеждения. Убеждать, значит так воздействовать на сознание и поведение человека, чтобы у него формировались способности поиска истинности миропонимания. В процессе убеждения идеи и нормы, выработанные обществом, превращаются в личные убеждения, в систему мотивов поведения, в руководство к действию.
...
01 09 2026 12:42:24
Как правило, учебный план делится на два основных раздела: теоретический и пpaктический...
31 08 2026 17:25:45
Умение выполнять новое двигательное действие возникает на основе следующих предпосылок: овладения необходимыми знаниями о технике действия, наличие двигательного опыта, достаточного уровня физической подготовленности, при творческом мышлении в процессе построения новой формы движений...
30 08 2026 12:11:28
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Педагогическая деятельность
...
28 08 2026 21:42:40
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Пищеварение»
...
27 08 2026 21:36:38
В том месте, где на кривой Хилла скорость стремится к максимуму, сила стремится к нулю...
26 08 2026 21:57:32
Примерами ударов являются:
· Удары по мячу, шайбе...
25 08 2026 4:17:30
Можно говорить о системе методов педагогических исследований...
23 08 2026 23:36:23
> Простые:• словесные, учебники, учебные пособия, дидактический и раздаточный материал;• простые визуальные средства: предметы, чучела, образцы минералов, части машин, модели;• графические средства: картины, схемы, карты. Сложные:• механические визуальные приборы: диаскоп, микроскоп, кодоскоп;• аудиальные средства: проигрыватель, магнитофон, радио;• аудиовизуальные средства: звуковой фильм, Т В, видео;• средства автоматизирующие процесс обучения: лингвистические кабинеты, компьютерные классы, телекоммуникационные сети;• реальные объекты: производство, сооружения.
...
22 08 2026 13:58:54
Теория и методика физической культуры 3 | ...
21 08 2026 23:14:23
Сознательность - это способность человека правильно разбираться в объективных закономерностях, понимать их и в соответствии с ними осуществлять свою деятельность...
20 08 2026 16:34:28
) Было выявлено, что вне зависимости от качества внешнего раздражителя наступают общие нейрогумopaльные изменения...
19 08 2026 14:46:39
• Время двигательной реакции – латентный (скрытый) период простой( без выбора) и сложной (с выбором) сенсомоторной реакции, реакции на движущийся объект(РДО)• Максимальный темп движенийОценка времени двигательной реакции (ВДР) производится от момента подачи сигнала до ответного действия...
18 08 2026 21:31:47
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
