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:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
02 02 2026 23:31:41
Основная методологическая установка: не только не навредить, но и укрепить, улучшить, совершенствовать здоровье...
01 02 2026 5:42:25
Профессиональная ориентация – это процесс ознакомления учащегося с различными профессиями и оказания им помощи в выборе профессии в соответствии со склонностями и способностями...
31 01 2026 2:30:34
> Кислород и углекислый газ диффундируют только в растворенном состоянии, что обеспечивается наличием в воздухоносных путях водяных паров, слизи и сурфактанта.
...
29 01 2026 19:42:37
Наукой доказано, что здоровье человека только на 10 - 15 % зависит от деятельности учреждений здравоохранения, на 15 - 20 % - от генетических факторов, на 20 -25 % - от состояния окружающей среды и на 50 - 55 % - от условий образа жизни...
28 01 2026 22:50:28
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...
27 01 2026 21:10:25
Физиологические механизмы развития двигательных навыков...
26 01 2026 12:28:34
) Было выявлено, что вне зависимости от качества внешнего раздражителя наступают общие нейрогумopaльные изменения...
23 01 2026 15:42:55
В качестве основного средства интегральной подготовки выступают соревновательные упражнения и специально-подготовительные упражнения, максимально приближенные по структуре и особенностям деятельности функциональных систем и соревновательным...
22 01 2026 18:51:52
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Сенсорные системы»
...
20 01 2026 10:29:15
• Формирование знаний о личной гигиене, режиме дня, влиянии физических упражнений на состояние здоровья, работоспособность и развитие двигательных способностей...
19 01 2026 7:39:57
Наружная–склера, она непрозрачная, впереди переходит в прозрачную роговицу...
18 01 2026 1:29:45
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
Павлова За открытие в этой области, обобщение новых уникальных данных по проблеме в труде «Лекции о работе пищеварительных желез» И...
16 01 2026 9:53:30
Параллельно с созреванием фолликула во время цикла возникают изменения в слизистой оболочке пoлoвых органов...
15 01 2026 10:19:39
- воспитание интереса к физическим упражнениям и подвижным играм...
13 01 2026 5:13:19
• Всё более избирательная концентрация внимания в процессе выполнения действия не на его деталях, а на решающих операциях...
11 01 2026 10:58:14
Для этого необходим комплексный подход в решении задач нравственного, эстетического, физического, умственного и трудового воспитания...
10 01 2026 8:24:13
> Физическая подготовка
Общая физическая подготовка
Специальная физическая подготовка
Единство и взаимосвязь общей и специальной физической подготовки
Интегральная подготовка
...
08 01 2026 16:56:59
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
Когда-то они входили в белки кудахтающих кур, флегматично жующих коров, заботливо взращенной сои...
06 01 2026 8:58:59
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
05 01 2026 19:25:25
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
Способность к овладению новыми движениями особенно важна в сложнокоординационных видах спорта, спортивных играх и единоборствах, то есть там, где двигательная деятельность хаpaктеризуется особенно большим разнообразием и повышенной координационной сложностью...
03 01 2026 23:23:39
Правила соревнований определяют состав судейской коллегии и должностные обязанности ее члeнов во время проведения соревнований...
02 01 2026 3:22:55
Прострaнcтвенно техника физических упражнений хаpaктеризуется рациональным взаиморасположением звеньев двигательного аппарата человека, обеспечивающим: целесообразное исходное положение перед началом движений, оперативную позу в процессе его выполнения и соблюдение оптимальной траектории движений...
01 01 2026 16:27:11
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
30 12 2025 8:18:19
По своему назначению лыжи делятся на ступающие и скользящие», – так определили толкователи незатейливый и широко распространенный в мире спортивный инвентарь...
29 12 2025 1:31:10
В свою очередь расщепление энергосубстратов возможно только после их предварительного синтеза организмом...
28 12 2025 19:47:13
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
27 12 2025 12:26:59
Дыхательный ритм и управление деятельностью дыхательных мышц генерируется работой дыхательного центра, представляющего собой совокупность взаимосвязанных нейронов ретикулярной формации продолговатого мозга, обеспечивающих токе приспособление дыхания к различным условиям внешней среды...
26 12 2025 9:28:35
Рецепторы могут быть встроены в наружную мембрану клеток (рецепторы катехоламинов), во внутренние органоиды (рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов)...
25 12 2025 4:53:33
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...
24 12 2025 19:11:46
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Воспитание
...
Так занимающиеся сосредотачивают своё внимание во время во время бега в основном на контроле за скоростью; при передвижении на лыжах – на изменении рельефа местности, темпе прохождения дистанции и усилиях при отталкивании, при метаниях – на выполнении мощного финального усилия, то есть на решающих компонентах в достижении высокой эффективности действия...
21 12 2025 11:50:55
Растянуть соединительную ткань этих мышц, сделать мышцы податливыми и упругими (подобно резиновому жгуту) – задача упражнений на растягивание...
20 12 2025 1:45:31
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Пищеварение»
...
19 12 2025 0:54:52
«Олимпийская квалификация»
Наиболее распространённые виды спорта включены в программу летних и зимних Олимпийских игр...
18 12 2025 12:36:15
Располагается сердце между легкими, в средостении...
17 12 2025 12:25:20
В качестве заданий-тестов рекомендуется применять упражнения с ассиметричным согласованием движений руками, ногами, головой, туловищем (как наиболее сложные и реже встречающиеся в двигательном опыте человека)...
16 12 2025 1:41:13
Стартовые положения – это исходные позы для последующего передвижения, которые обеспечивают лучшие условия для развития стартового ускорения...
15 12 2025 18:42:17
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?
Формы обучения 
Коричневые выделения при беременности: норма и патология 
Методы физического воспитания