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
Педагогический контроль осуществляется тренером, преподавателем...
15 02 2026 15:42:28
Обучение было долгим и дорогостоящим...
13 02 2026 0:29:30
Мышечная пластинка слизистой оболочки
Некоторое количество слизистых желез имеется
Многочисленные желудочные железы имеется
Кишечные и выраженные лимфатические сосуды имеется
Трубчатые железы имеется
Подслизистая оболочка...
12 02 2026 10:37:45
для движения вперёд вода должна отбрасываться назад...
11 02 2026 3:28:21
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...
09 02 2026 10:42:42
Сила трения – это диссипирующая сила, работа против которой требует необходимых затрат энергии со стороны спортсмена, уменьшая тем самым энергозатраты на полезный результат движения...
07 02 2026 4:47:13
Их выработка и активность регулируется гонадотропными гормонами гипофиза...
06 02 2026 13:11:24
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
04 02 2026 18:21:54
Дело в том, что общая физическая подготовка должна строится согласно закономерностям переноса тренировочного эффекта с подготовительных упражнений на соревновательные действия в избранном виде спорта...
03 02 2026 14:34:30
> 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.
...
02 02 2026 19:17:31
Выполнение упражнения означает переход на тот или иной уровень его функциональной активности...
01 02 2026 23:12:44
Фактически именно с них начинается вся система выведения желчи в кишечник...
31 01 2026 5:41:20
Напряжение кислорода и углекислого газа (мм...
29 01 2026 1:29:16
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
28 01 2026 14:57:16
Переднезадняя составляющая обычно больше на 50 – 60 % в обеих своих частях, т...
27 01 2026 23:27:18
• Всё более избирательная концентрация внимания в процессе выполнения действия не на его деталях, а на решающих операциях...
24 01 2026 17:58:51
В текущем контроле оцениваются срочный и отставленный тренировочные эффекты (СТЭ и ОТЭ)...
23 01 2026 4:45:32
Поступательным называется движение, при котором любой отрезок, проведённый между произвольными точками внутри тела, не меняет своей ориентации относительно тела отсчёта...
22 01 2026 9:17:11
• Формирование знаний о личной гигиене, режиме дня, влиянии физических упражнений на состояние здоровья, работоспособность и развитие двигательных способностей...
20 01 2026 13:19:36
Интенсивность нагрузки (качественная сторона нагрузки) определяется скоростью преодоления дистанции, величиной преодолеваемого отягощения или сопротивления, темпом движений, плотностью выполнения упражнений в занятии...
18 01 2026 10:53:10
Основная методологическая установка: не только не навредить, но и укрепить, улучшить, совершенствовать здоровье...
17 01 2026 6:56:32
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Дидактика
...
15 01 2026 9:58:33
>
...
• Строго соблюдается частота занятий, их продолжительность и взаимосвязь...
13 01 2026 6:44:57
В том месте, где на кривой Хилла скорость стремится к максимуму, сила стремится к нулю...
12 01 2026 21:38:58
Им было показано, что при воздействии на организм стрессового раздражителя возможны реакции двух видов: 1) если возбудитель слишком силён или действует долго, наступает заключительная фаза стресс-синдрома – истощение; 2) если раздражитель не превышает приспособительных резервов организма, активизируются процессы специфической адаптации...
09 01 2026 16:25:10
Кривая нарастания силы при однократном «взрывном» усилии с последующим немедленным расслаблением имеет вид, показанный на рис...
07 01 2026 16:20:59
Часто это не только спортивно-тренировочные занятия, но и самостоятельные занятия по общей физической подготовке, атлетической подготовке, избирательно-кондиционной тренировке...
06 01 2026 8:43:42
По своему назначению лыжи делятся на ступающие и скользящие», – так определили толкователи незатейливый и широко распространенный в мире спортивный инвентарь...
05 01 2026 10:57:28
Неусвояемые – балластные, пищевые волокна, играют огромную роль в поддержании нормальной регуляции пищеварения...
04 01 2026 21:37:56
Экзогенные аллергены могут поступать в организм воздушным путём, с пищевыми продуктами, при контакте бактерий и вирусов с кожей и слизистыми оболочками...
02 01 2026 7:11:31
Можно говорить о системе методов педагогических исследований...
01 01 2026 19:13:21
style="text-align: center;"> Сравнение нейронного потока информации и потока информации при сознательном восприятии для пяти сенсорных систем
...
31 12 2025 8:27:57
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...
30 12 2025 5:11:37
> Мальчики при дворе сюзерена с 7 до 14 лет служили пажами при жене феодала, с 14 до 21 - оруженосцами при феодале, в 21 год – посвящались в рыцари. В основе содержания образования лежали «семь рыцарских добродетелей»: верховая езда, плавание, фехтование, охота, метание копья, шахматы, игра на музыкальном инструменте. Воспитывалось презрение к труду, в том числе умственному. Рыцари также не обязаны были овладевать грамотой.
...
29 12 2025 0:58:24
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
Ромашка повышает или понижает давление: как она влияет на его уровень у человека?
Коричневые выделения при беременности: норма и патология 
Формы обучения 
Глоссарий по теме «Сердце» 
Гипотония и армия
Вспомогательные средства физического воспитания детей школьного возраста 
Услышать язычника
Построение тренировки в годичных циклах