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
Эффективности процесса обучения двигательным действиям способствует разработка инструкции, передаваемой обучаемым в письменном виде с указанием не только двигательных задач и способов их решения, но и типичных ошибок, способов их предупреждения и исправления...
06 10 2026 14:28:29
>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: ...
05 10 2026 10:46:42
Специализированные средства (соревновательные и специально-подготовительные упражнения) с одной стороны оказывают более непосредственное влияние на повышение результатов...
04 10 2026 6:32:54
), направленная на повышение функциональных возможностей сердечно-сосудистой и дыхательной систем...
03 10 2026 20:20:43
Широко применяют упражнения с интенсивностью, несколько превышающую соревновательную...
02 10 2026 12:13:47
Закрепление школы движений и обогащение двигательного опыта...
01 10 2026 20:45:55
Комплексный контроль в большинстве случаев реализуется в ходе тестирования или процедуры измерения результатов в тестах...
29 09 2026 1:27:23
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
27 09 2026 15:31:37
Внешние мотивы могут быть разделены на положительные и отрицательные...
26 09 2026 11:40:48
Силы сопротивления очень зависят от формы тела и возрастают при увеличении скорости его движения относительно среды...
24 09 2026 23:39:30
>1. Интернационализация образования, которая включает компьютеризацию, использование глобальных компьютерных сетей, гуманизация и гуманитаризация образования (например, интернет, дистантное обучение).2. Фундаментализация образования, т.е. получаемые знания должны быть фундаментом (базой) для любого вида деятельности; это развитие способности к структурированию материала, умению выделять главное, основные идеи.3. Непрерывность образования означает то, что образование должно быть элементом повседневной жизни. Цель непрерывности образования – развитие личности на протяжении всей жизни (например, дополнительное образование для детей, взрослых).
...
23 09 2026 9:21:30
Рецепторы могут быть встроены в наружную мембрану клеток (рецепторы катехоламинов), во внутренние органоиды (рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов)...
22 09 2026 8:55:53
Собственно-силовые способности – хаpaктеризуются тем, что основную роль в их проявлении играет активация процессов максимального и околомаксимального мышечного напряжения...
19 09 2026 15:40:49
Состав скоростно-силовых упражнений широк и разнообразен...
18 09 2026 19:36:54
В качестве основного средства интегральной подготовки выступают соревновательные упражнения и специально-подготовительные упражнения, максимально приближенные по структуре и особенностям деятельности функциональных систем и соревновательным...
17 09 2026 2:36:24
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...
16 09 2026 21:37:30
Пища представляет собой смесь животных и растительных продуктов, содержащих белки, жиры углеводы, витамины, минеральные соли и воду...
15 09 2026 4:35:14
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Сенсорные системы»
...
14 09 2026 4:53:23
В свою очередь расщепление энергосубстратов возможно только после их предварительного синтеза организмом...
13 09 2026 0:40:17
Реакция первого типа хаpaктерна для случаев, когда в микроцикл входит оптимальное число занятий с большими и значительными нагрузками, которые рационально чередуются между собой, так и с занятиями с малыми и средними нагрузками...
12 09 2026 15:28:35
Фактически именно с них начинается вся система выведения желчи в кишечник...
11 09 2026 5:28:24
> Динамические характеристики
Основные понятия и законы динамики
Динамика вращательного движения материальной точки и твёрдого тела
Центр масс тела. Равновесие. Масса тела
Виды сил в природе
Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения. Вес тела.
Силы упругости
Силы трения покоя и скольжения
Сила сопротивления при движении в воде или атмосферном воздухе
...
10 09 2026 15:54:37
Физкультурно-спортивные организации и образовательные учреждения, осуществляющие подготовку спортсменов
1...
09 09 2026 20:21:31
Умение выполнять новое двигательное действие возникает на основе следующих предпосылок: овладения необходимыми знаниями о технике действия, наличие двигательного опыта, достаточного уровня физической подготовленности, при творческом мышлении в процессе построения новой формы движений...
08 09 2026 18:37:29
Ниже приведены наиболее общие морфологические хаpaктеристики спортсменов высокого класса, специализирующихся в различных видах спорта, а также оптимальные возрастные границы для достижения наивысших спортивных результатов...
07 09 2026 12:32:11
Головка содержит ядро, впереди которого расположена структура, получившая название акросома...
06 09 2026 20:40:31
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
04 09 2026 7:43:10
В конце 1 месяца беременности у женщин зародыш имплантирован в слизистую оболочку матки, в нем происходит возникновение зачатков органов и плодовых оболочек...
02 09 2026 20:35:36
Из числа методов речевого воздействия, преподаватель применяет объяснительный рассказ и инструктирование, для того, чтобы раскрыть смысл разучиваемого действия, выделить ООТ, которые должны войти в его ориентировочную основу...
01 09 2026 5:16:25
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
31 08 2026 23:47:35
Каналы и полости височной кости образуют костный лабиринт вестибулярного аппарата и частично перепончатый лабиринт...
30 08 2026 2:10:11
Например, они могли ускорять или тормозить физико - химические процессы в клетке...
29 08 2026 1:48:56
>• профпросвещение – формирование у учащегося положительного отношения к труду учителя Ф К (тренера по И В С);• профинформация – ознакомление учащегося с деятельностью учителя Ф К, тренера; с кругом профессий в области Ф К и С (менеджер по спорту, методист по спорту, инструктор по спорту);• профагитация – доведение до сознания учащегося общественной значимости труда учителя Ф К, тренера;• профпропаганда – привлечение учащегося к оформлению наглядности по профориентации и методического кабинета;• профдиагностика – всестороннее изучение личности учащегося: интересы, мотивация, индивидуально-типологические особенности (темперамент, характер и т.д.), занятость в свободное время.• профвоспитание1. Оказание помощи в приобретении З У Н и развитие у учащегося склонностей и способностей путем включения их в практическую деятельность по профилю выбранной специальности (проведение спортивного занятия, тренировки, участие в проведении внеклассных спортивных мероприятий), при этом реализуется один из принципов психологии развитие личности в деятельности.2. Формирование устойчивого интереса к выбранной профессии, благодаря качественно проведенным занятиям и спортивным мероприятиям.3. Формирование личностных качеств, включающих следующие компоненты:- профессионально-педагогический: интерес к профессии, к Ф К и С, любовь к детям, значимые мотивы выбора профессии, качества личности (педагогический такт, принципиальность, справедливость);- мировоззренческий проявляется в моральных качествах, в осознании общественного долга, ответственности, общественной активности;- познавательный направлен на овладение знаниями, на стремление к самосовершенствованию, на творческое отношение к работе и учебе.4. Формирование у учащегося аналитического подхода к выбору профессии на основе оценки своих способностей.• профконсультацииа) ознакомление с требованиями, предъявляемыми к личности учителя Ф К, тренера.б) оказание помощи в выборе конкретной специальности, в выборе физкультурного учебного заведения.• профадаптация - осуществление контроля и помощи выпускникам в овладении профессией в процессе учебы в физкультурном вузе. Важную роль в ориентации учащихся на педагогическую деятельность играет личность педагога. Учитель Ф К, тренер являет собой агитационный «плакат», призывающий к выбору именно его профессии (... или отталкивающий). Спортивные наставники призваны помочь разрешить юным спортсменам вопрос «кем быть?» и показать им «какими они должны быть».« Трудно переоценить роль личности учителя, его духовного облика в пробуждении и развитии способностей, наклонностей, талантов ученика». ( В. А. Сухомлинский). Работа по профессиональной ориентации в вузе на учительскую профессию может эффективно осуществляться по направлениям:1. согласованное и преемственное взаимодействие школы и педагогического вуза по профессиональной ориентации школьников и студентов;2. выполнение студентами дифференцированных корректировочных программ по профориентации с учетом типологических особенностей, характеризующихся наличием довузовского опыта педагогической деятельности и мотивов выбора профессии учителя;3. вовлечение студентов в различные виды профориентационной деятельности в школах с целью корректировки мотива выбора учительской профессии. Таким образом, подготовка к профессии учителя должна начинаться задолго до того, как человек делает свой профессиональный выбор, и продолжается в процессе его профессиональной подготовки в соответствующем учебном заведении.
...
28 08 2026 17:34:38
Это объясняется тем, что росту тренированности юных спортсменов в достаточной мере способствуют микроциклы, в которых преимущественно используются занятия со средними и значительными нагрузками...
27 08 2026 23:13:27
Ряд традиционных общепедагогических методов (объяснительный рассказ, беседа, обсуждение) приобрели в физическом воспитании специфические формы...
26 08 2026 14:20:31
> Выдыхаемый воздух состоит из смеси альвеолярного и воздуха вредного пространства, по составу мало отличающегося от атмосферного.
...
25 08 2026 16:54:25
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...
23 08 2026 18:53:52
Растянуть соединительную ткань этих мышц, сделать мышцы податливыми и упругими (подобно резиновому жгуту) – задача упражнений на растягивание...
22 08 2026 21:22:49
Начальную активацию системы комплемента вызывают комплексы антиген- антитело и бактериальные агенты...
21 08 2026 3:34:30
Общая выносливость – способность длительно выполнять любую циклическую работу умеренной мощности с участием больших групп мышц...
19 08 2026 8:45:49
К ним относятся: брюшной тиф, дизентерия, сальмонеллезы, холера, инфекционный гепатит, полиомиелит, туляремия, лептоспирозы...
18 08 2026 12:34:25
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
