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
Основные положения этого принципа раскрывает теория стресса, которую открыл Ганс Селье...
01 11 2025 20:55:24
В последней стадии беременности перед родами в материнском организме наблюдается преобладание тормозных процессов в высших отделах мозга и повышение возбудимости спинного мозга, что приводит к снижению порога рефлекторной и мышечной возбудимости матки...
31 10 2025 1:57:41
А если учесть, что мозг человека использует глюкозу в качестве единственного (!) топлива (в отличие от других органов, клетки которых при необходимости могут использовать белки и жиры для получения недостающих килокалорий), становится понятным значение исправного функционирования механизма углеводного обмена...
30 10 2025 1:14:17
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...
29 10 2025 7:42:49
> 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.
...
28 10 2025 18:39:39
Следует также отметить, что кровяной допинг снимает отрицательное влияние среднегорья и высокогорья на уровень максимального потрeбления кислорода и выносливость спортсменов...
27 10 2025 6:36:41
Непосредственный показ (демонстрация) движений преподавателем или одним из занимающихся всегда должен сочетаться с методами использования слова, что позволяет исключить слепое, механическое подражание...
25 10 2025 9:43:31
10 лет Комиссия по правам человека разpaбатывали этот проект...
21 10 2025 1:41:58
• Общеразвивающие упражнения с предметами: мальчики с набивными мячами, гантелями (1 – 3 кг...
20 10 2025 4:42:39
Обучение в процессе физического воспитания хаpaктеризуется своими особенностями, так как специфическим предметом обучения здесь являются двигательные действия...
19 10 2025 17:53:45
• Формирование знаний о личной гигиене, режиме дня, влиянии физических упражнений на состояние здоровья, работоспособность и развитие двигательных способностей...
17 10 2025 21:37:49
Тур разделен на четыре этапа, которые проводились в Североуральске (Свердловская область), Югорске (ХМАО-Югра) и Ханты-Мансийске (ХМАО-Югра)...
16 10 2025 10:41:35
), направленная на повышение функциональных возможностей сердечно-сосудистой и дыхательной систем...
12 10 2025 4:32:37
Оздоровительное значение физических упражнений особенно важно при гипокинезии, сердечно-сосудистых заболеваниях и т...
11 10 2025 11:37:58
Специалисты выделяют следующие виды утомления:
• локальное (например, усталостные явления в биомеханическом звене: кисти, стопе и т...
08 10 2025 8:48:53
Эти два направления могут играть роль как собственно средств восстановления, так и средств стимулирования работоспособности...
07 10 2025 12:55:50
• Название движения (наклон, поворот, мах, выпад, присед и т...
05 10 2025 5:48:19
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...
04 10 2025 23:23:41
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
01 10 2025 10:59:18
Совершенствованию ООД способствует выполнение так называемых контрастных и сближающих заданий, связанных с уточнением «опopных точек» и параметров совершаемых движений...
30 09 2025 0:42:52
Физкультурно-спортивные организации и образовательные учреждения, осуществляющие подготовку спортсменов
1...
29 09 2025 7:17:42
В конце этой стадии наблюдается необходимая гипертрофия органов, слаженность деятельности различных звеньев и механизмов, обеспечивающих эффективную деятельность функциональной системы в новых условиях...
28 09 2025 0:37:58
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
27 09 2025 11:13:45
Однако, тренировочный эффект будет достигнут лишь в том случае, когда после нескольких микроциклов, каждый из которых усугубляет утомление, вызванное предыдущим, следует восстановительный микроцикл, позволяющий обеспечить эффективное протекание адаптационных процессов и ускорить восстановительные процессы в организме спортсмена...
25 09 2025 13:40:58
Напряжение кислорода и углекислого газа (мм...
23 09 2025 9:20:41
Технические приёмы и действия в современном спорте исключительно многообразны, объём их постоянно обогащается...
21 09 2025 9:50:31
>1. Дидактические: С. доступно, ясно, интересно передавать материал, повышать активность, самостоятельность.2. Академические: С. к учебному предмету, стремление к глубокому познанию предмета и достижений в этой области.3. Перцептивные: С. стремление проникнуть во внутренний мир ученика, понимание его личности и состояния.4. Речевые: С. ясно выражать свои мысли и чувства с помощью вербальных и невербальных средств общения.5. Организаторские: С. организовать учеников, собственную деятельность, сформировать коллектив, воодушевить на решение задач.6. Авторитарные: С. эмоционально-волевым влиянием добиваться авторитета.7. Коммуникативные: С. к общению с учениками, коллегами, родителями; умение найти подход, наладить контакты.8. Педагогическое воображение: С. предвидеть последствия педагогической деятельности, прогнозировать, предугадывать, что может «получиться» из учеников.9. Аттенционные: С. распределить внимание между несколькими видами деятельности (учителю необходимо следить за изложением учебного материала, «видеть» учеников, их поведение, реакцию, признаки утомления, следить за дисциплиной, за собственным поведением.10. Двигательные: С. правильно выполнять и показывать физические упражнения, выполнять страховку.
...
20 09 2025 10:10:53
>1. Традиционная классификация.
словесный
наглядный
практический
работа с книгой
видеометод
Объяснение Разъяснение Рассказ Беседа Инструктаж Лекция Дискуссиядиспут
Иллюстрация Демонстрация Наблюденияуч-ся
Опыт Упражнение Учебнопроизводительный труд
Чтение Изучение Реферирование Беглый просмотр Цитирование Изложение Составление плана Конспектирование
Просмотр Обучение Упражнение под контролем компьютера Контроль
...
19 09 2025 17:33:54
В подготовительной части: разминка, вpaбатывание – выход на необходимую функциональную активность систем и органов спортсмена...
18 09 2025 4:10:47
Влияние массажа на различные системы организма
Влияние массажа на нервную систему
Влияние массажа на общий обмен веществ
Список литературы1...
17 09 2025 6:33:54
> Перестроение.
...
Интернационализация образования, которая включает компьютеризацию, использование глобальных компьютерных сетей, гуманизация и гуманитаризация образования (например, интернет, дистантное обучение)...
13 09 2025 18:30:13
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
Коричневые выделения при беременности: норма и патология 
Ромашка повышает или понижает давление: как она влияет на его уровень у человека?
Формы обучения