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
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Воспитание
...
28 06 2026 23:36:35
На этом этапе многолетней подготовки определяется спортивная ориентация спортсменов в зависимости от их врождённых способностей (генетических факторов)...
27 06 2026 0:31:36
Они разделены между собой серповидной связкой печени, которая подвешивает печень к диафрагме, удерживая ее в сагитальной плоскости...
26 06 2026 4:18:24
Критериями спортивной ориентации являются рекомендации учителя физической культуры, данные медицинского обследования, антропометрические измерения и их оценка с позиции перспективы...
25 06 2026 15:54:48
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о дыхании
...
Хорошая гибкость обеспечивает свободу, быстроту и экономичность движений, увеличивая путь эффективного приложения усилий при выполнении физических упражнений...
22 06 2026 0:15:28
Так, спринтер должен обладать, прежде всего, высокоразвитыми скоростными и скоростно-силовыми способностями в особом соотношениями, условно обозначенном термином «спринтерская мощность», а также развитой спринтерской выносливостью, основанной на возможностях анаэробного использования энергетических ресурсов мышечного сокращения...
21 06 2026 18:18:22
Теория и методика избранного вида спорта 2 | ...
20 06 2026 10:16:27
Витамины...
19 06 2026 5:40:31
• Строго соблюдается частота занятий, их продолжительность и взаимосвязь...
18 06 2026 10:14:35
Располагается сердце между легкими, в средостении...
17 06 2026 19:58:36
Эффективность отбора в значительной степени связана с оценкой у спортсменов основных показателей, хаpaктеризующих уровень их специальной подготовленности и спортивного мастерства...
15 06 2026 19:40:27
Активная борьба с допингами началась после Олимпиады в 1960 году в Риме, погиб Енсен датский велогонщик, применивший прямо на дистанции велогонки амфетамин...
14 06 2026 21:43:39
Основной задачей втягивающих мезоциклов является постепенное подведение спортсменов к эффективному выполнению специфической тренировочной работы в последующих мезоциклах...
13 06 2026 13:55:51
> 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.
...
12 06 2026 3:40:34
Одним из важнейших условий совершенствования рациональной техники является взаимосвязь структуры движений и уровня развития физических качеств...
11 06 2026 18:13:47
> Третий этап – Результирующая отработка действия
Цель и решаемые задачи
Типичные средства и методы третьего этапа
Завершающая отработка О О Д
Обеспечение стабильности, вариативности и надёжности двигательного навыка
Общая регламентация режима упражнений
Предупреждение и исправление ошибок
Контроль за формированием навыка и его совершенствованием
...
10 06 2026 8:26:34
Восстановительные процессы у спортсменов высокой квалификации после больших нагрузок обычно завершаются через 2 – 3 суток (48 – 72 часа)...
08 06 2026 8:15:27
Временные масштабы планирования – исходя из временного масштаба, на которое осуществляется планирование (перспективное, этапное или краткосрочное) определяется структура плана и степень его детализации...
07 06 2026 11:23:53
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
06 06 2026 4:19:20
• Критерий эффективности техники действия выводят на основе сопоставления его результативности при целостном воспроизведении и так называемого двигательного потенциала, оцениваемого в тесте, являющимся упрощённым вариантом действия...
05 06 2026 21:50:23
для движения вперёд вода должна отбрасываться назад...
04 06 2026 16:39:18
Головка содержит ядро, впереди которого расположена структура, получившая название акросома...
03 06 2026 17:15:20
В качестве важнейшей операции в цикле этапного управления выделяют разработку моделей соревновательной деятельности и подготовленности, которые должны быть использованы в качестве ориентира на данном спортивного совершенствования...
02 06 2026 5:32:17
> Перестроение.
...
При разработке содержания урока по физической культуре необходимо:
• Определить средства и методы решения каждой из задач урока...
31 05 2026 13:28:24
д...
29 05 2026 13:21:56
Одни из них катализирую окислительно-восстановительные реакции в нервной системе (церулоплазмин), другие расщепляют в крови избыток биологически-активных веществ (холинэстераза), третьи регулируют активность свертывающей и противосвертывающей систем крови...
27 05 2026 8:33:56
Циклические упражнения вовлекают в работу до 2/3 и более мышц, которые в процессе выполнения физических упражнений требуют значительного количества кислорода и поэтому развивают преимущественно сердечно-сосудистую и дыхательную системы...
26 05 2026 8:18:52
При окислении 1 г жира в организме человек получает 9,3 ккал энергии, больше, чем при окислении углеводов и белков...
25 05 2026 16:44:17
При изучении величин, которые хаpaктеризуются не только величиной, но и направлением (например, скорость, ускорение, сила и т...
24 05 2026 8:57:57
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
23 05 2026 3:50:23
В первую группу входят: 1) модели, хаpaктеризующие структуру соревновательной деятельности; 2) модели, хаpaктеризующие различные стороны подготовленности спортсмена; 3) морфофункциональные модели, отражающие морфологические особенности организма и возможности отдельных функциональных систем, обеспечивающие достижение заданного уровня спортивного мастерства...
22 05 2026 21:20:53
Занятия этого типа особенно широко применяются в тренировке юных спортсменов, на ранних этапах многолетней подготовки, когда решается большое число задач, связанных с обучением...
21 05 2026 6:42:23
Семейное воспитание – это система воспитания и образования, складывающаяся в условиях конкретной семьи силами родителей и родственников...
20 05 2026 8:49:38
Преподаватель, приступая к обучению своих учеников, должен побудить их к сознательному, осмысленному отношению к предстоящему овладению новыми двигательными действиями...
17 05 2026 13:14:11
В конце этой стадии наблюдается необходимая гипертрофия органов, слаженность деятельности различных звеньев и механизмов, обеспечивающих эффективную деятельность функциональной системы в новых условиях...
15 05 2026 2:40:14
Это объясняется тем, что росту тренированности юных спортсменов в достаточной мере способствуют микроциклы, в которых преимущественно используются занятия со средними и значительными нагрузками...
14 05 2026 9:43:29
Спортивные результаты измеряются в мин...
13 05 2026 10:16:33
Оно подразумевает увеличение ЧСС, систолического объема, минутного объема сокращения, увеличение легочной вентиляции и энерготрат, повышение температуры тела...
11 05 2026 0:41:46
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
