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
>Например, в структуре соревновательной деятельности в легкоатлетическом беге на 100 метров (и по аналогии на спринтерских дистанциях циклических видов спорта) может быть выделено как минимум четыре компонента: ...
03 05 2026 21:11:26
Собственно-силовые способности – хаpaктеризуются тем, что основную роль в их проявлении играет активация процессов максимального и околомаксимального мышечного напряжения...
01 05 2026 0:55:36
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
30 04 2026 14:46:57
> Допинговые средства и методы и противодействие использованию допингов
Запрещённые вещества и методы
Стимуляторы
Наркотические анальгетики
Анаболические стероиды
Диуретики
Пептидные гормоны. Бета-блокаторы
Кровяной допинг
Противодействие использованию допинговых средств и методов в спорте
Механизм действия, эффективность и побочные эффекты допинговых веществ и методов (таблица)
...
29 04 2026 14:43:39
• Общеразвивающие упражнения с предметами: мальчики с набивными мячами, гантелями (1 – 3 кг...
27 04 2026 23:16:22
Каналы и полости височной кости образуют костный лабиринт вестибулярного аппарата и частично перепончатый лабиринт...
26 04 2026 4:10:22
Следствием руководства этим принципом является непрекращающийся рост мастерства спортсменов и спортивных рекордов...
25 04 2026 18:50:41
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Пищеварение»
...
24 04 2026 2:38:24
> 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.
...
23 04 2026 22:10:55
> Структура многолетней подготовки
Факторы, от которых зависит структура многолетней подготовки
Первый этап – этап начальной подготовки ~ 10 - 12 лет
Второй этап – этап предварительной базовой подготовки ~ 13 - 15 лет
Третий этап – этап специализированной базовой подготовки ~ 16 - 19 лет
Четвертый этап – этап максимальной реализации индивидуальных возможностей ~ 20-25 лет
Пятый этап – этап сохранения высших спортивных достижений ~ 26 - 30 лет
Основные направления интенсификации тренировочного процесса в многолетней подготовке
...
22 04 2026 10:32:58
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
20 04 2026 6:20:52
Управлению на основе данных оперативного контроля подлежат такие хаpaктеристики параметров тренировочной нагрузки, как продолжительность и количество отдельных упражнений, интенсивность работы при их выполнении, продолжительность пауз между отдельными упражнениями и т...
19 04 2026 2:14:45
Оздоровительное значение физических упражнений особенно важно при гипокинезии, сердечно-сосудистых заболеваниях и т...
18 04 2026 10:26:30
Проблемы во взаимоотношениях родителей и детей возникают, если родители не обладают необходимой чуткостью и тактом; недостаточно бережно относятся к секретам детей; не поспевают за динамизмом развития детей; «фальшивят» в тоне разговора; не умеют входить в детский мир без нажима, навязывания своих взглядов, критических замечаний, без нервозности и предубеждений...
17 04 2026 20:31:37
Комплексный контроль в большинстве случаев реализуется в ходе тестирования или процедуры измерения результатов в тестах...
16 04 2026 3:57:54
Их стимулирующее действие в значительной мере связано на стволовую часть мозга...
15 04 2026 20:35:42
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
Внешние мотивы могут быть разделены на положительные и отрицательные...
13 04 2026 11:47:33
Все показатели здоровья взаимосвязаны взаимообусловлены...
12 04 2026 16:40:41
размножение, развитие и созревание клеток крови в организме животных и человека в результате последовательных изменений...
11 04 2026 18:28:36
>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.
...
09 04 2026 13:31:43
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
07 04 2026 9:36:51
Допинговый контроль представляет собой взятие биологических проб и их исследование в целях выявления наличия в организмах спортсменов, участвующих в соревнованиях, допинговых средств или установления факта использования спортсменами допинговых средств и методов подготовки к соревнованиям...
05 04 2026 4:19:12
Главные клетки секретируют пищеварительные ферменты, обкладочные – соляную кислоту, а добавочные – слизь...
04 04 2026 0:21:28
Адаптация обеспечивается скоординированной во времени и прострaнcтве деятельностью всего организма...
03 04 2026 15:41:50
Стартовые положения – это исходные позы для последующего передвижения, которые обеспечивают лучшие условия для развития стартового ускорения...
02 04 2026 21:44:34
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о дыхании
...
Для младшего школьного возраста ведущими на уроке являются задачи совершенствования естественных двигательных действий (ходьбы, бега, прыжков, метаний, лазаний и т...
30 03 2026 13:38:21
> Нагрузки, применяемые в спорте
Тренировочные и соревновательные нагрузки
« Внешняя» и «внутренняя» стороны тренировочной нагрузки
Взаимосвязь нагрузок с внешней и внутренней стороны
Характер и направленность тренировочных нагрузок
Компоненты тренировочных нагрузок, определяющие направленность и величину воздействия
...
29 03 2026 15:15:56
При разработке содержания урока по физической культуре необходимо:
• Определить средства и методы решения каждой из задач урока...
28 03 2026 15:11:38
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
26 03 2026 14:47:54
Одним из первых актов созданной в1945 г...
24 03 2026 16:15:56
Семейное воспитание – это система воспитания и образования, складывающаяся в условиях конкретной семьи силами родителей и родственников...
22 03 2026 18:42:42
В конце этой стадии наблюдается необходимая гипертрофия органов, слаженность деятельности различных звеньев и механизмов, обеспечивающих эффективную деятельность функциональной системы в новых условиях...
21 03 2026 12:30:13
Основная методологическая установка: не только не навредить, но и укрепить, улучшить, совершенствовать здоровье...
20 03 2026 19:56:54
Рецепторы могут быть встроены в наружную мембрану клеток (рецепторы катехоламинов), во внутренние органоиды (рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов)...
19 03 2026 21:34:52
Методы, преимущественно направленные на освоение спортивной техники:
Среди методов, направленных на освоение спортивной техники, выделяют методы разучивания упражнений в целом (целостно-конструктивные) и по частям (расчлeнно-конструктивные)...
18 03 2026 0:22:24
Ряд традиционных общепедагогических методов (объяснительный рассказ, беседа, обсуждение) приобрели в физическом воспитании специфические формы...
17 03 2026 19:13:59
Спортивные результаты измеряются в мин...
16 03 2026 6:19:43
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?