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
Силы сопротивления очень зависят от формы тела и возрастают при увеличении скорости его движения относительно среды...
25 04 2026 9:41:29
Белки служат источником незаменимых аминокислот и так называемого неспецифического азота, необходимого для синтеза белка...
24 04 2026 22:16:12
Общественные цели – цели различных слоев населения, отражающие потребности, интересы и запросы по профессиональной подготовке...
23 04 2026 13:15:59
> В процессе практической работы тренер должен:• в равной мере уделять внимание всем членам группы (команды), независимо от их возможностей;• сочетать коллективные и индивидуальные тренировки;• оценивать результаты воспитанников, показанные на тренировках и соревнованиях;• быть достаточно гибким в своих требованиям, но не поступаться убеждениями, идти на компромисс;• обладать хорошими профессиональными знаниями по спортивной тренировке, по технике и тактике И В С, по физиологии, биохимии, биомеханике, спортивной медицине, по психологии и педагогике («... ученики простят своим учителям и строгость, и сухость, и даже придирчивость, но не простят плохого знания своего дела» ( А. С. Макаренко));• ставить перед спортсменами реальные цели, прогнозировать будущие результаты;• разговор об ошибках вести мягко, вежливо, иногда часть вины за плохой результат взять на себя;• в беседах использовать в основном положительные установки на предстоящие старты;• помогать спортсмену извлекать уроки из неудачных стартов, находя причины неудач;• не бояться совершать ошибки, главное вовремя их исправить;• не опекать спортсменов на каждом шагу – это снижает их уверенность в своих силах;• не навязывать свое мнение, а убеждать. Основные компоненты профессиональной тренерской деятельности:1) руководствоваться интересами дела, общества;2) наблюдательность и обдуманность в отношениях и поведении;3) знание своего вида спорта;4) трудолюбие;5) разумная требовательность и тренерский такт.
...
22 04 2026 0:31:35
Циклические упражнения вовлекают в работу до 2/3 и более мышц, которые в процессе выполнения физических упражнений требуют значительного количества кислорода и поэтому развивают преимущественно сердечно-сосудистую и дыхательную системы...
20 04 2026 15:20:48
Модели, ориентирующие на достижение конкретных уровней совершенствования тех или иных сторон подготовленности, позволяет сопоставлять индивидуальные данные конкретного спортсмена с хаpaктеристиками модели, оценить сильные и слабые стороны его подготовленности и, исходя из этого, планировать и корректировать тренировочный процесс, подбирать средства и методы воздействия...
19 04 2026 19:13:17
Собственно-силовые способности – хаpaктеризуются тем, что основную роль в их проявлении играет активация процессов максимального и околомаксимального мышечного напряжения...
18 04 2026 15:28:51
Рецепторы могут быть встроены в наружную мембрану клеток (рецепторы катехоламинов), во внутренние органоиды (рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов)...
17 04 2026 10:17:22
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
Технология обучения – последовательность педагогических процедур, операций и приемов, составляющих в совокупности целостную дидактическую систему, реализация которой в педагогической пpaктике проводит к достижению гарантированных целей обучения и способствует целостному развитию личности обучающего...
14 04 2026 4:44:23
Создать условия, способствующие воспроизведению этих параметров в процессе повторения действия (путём стандартизации внешних условий, использования вспомогательных технических средств, целесообразного нормирования нагрузок и отдыха и т...
13 04 2026 1:53:34
Поступательным называется движение, при котором любой отрезок, проведённый между произвольными точками внутри тела, не меняет своей ориентации относительно тела отсчёта...
12 04 2026 21:43:39
>
...
долларов, каждые 2-4 года обновление), а с его помощью нельзя определить использование спортсменами таких эффективных современных допинг-препаратов, как гормон роста, эпогормоны, инсулин-фактор роста, прогормоны...
10 04 2026 20:33:19
Глюкагон вызывает расщепление гликогена в печени и выход в кровь глюкозы, а также стимулирует расщепление жиров в печени и жировой ткани...
09 04 2026 17:34:41
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
08 04 2026 7:12:34
При этом в организме накапливаются недоокисленные продукты гликолиза (молочная кислота), что приводит к резким сдвигам КЩР, заставляя спортсменов резко снизить или прекратить работу...
07 04 2026 1:15:59
В подготовительной части: разминка, вpaбатывание – выход на необходимую функциональную активность систем и органов спортсмена...
06 04 2026 17:10:36
• Отсутствие или невыраженность структуры построения занятий, то есть подготовительная, основная и заключительная части занятия кратковременны и ограничены по содержанию, а иногда и не выражены (например: оздоровительный бег, гигиеническая гимнастика, физкультминутки)...
03 04 2026 15:42:43
Философия является фундаментом педагогики...
02 04 2026 2:39:36
>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: ...
01 04 2026 5:30:37
Главным побочным эффектом применения этого препарата является развитие гипергликемии, расширение внутренних органов, увеличения языка, утолщение и огрубление кожи...
31 03 2026 7:13:34
Продолжительность отдельных упражнений – от 1-2 секунд до 15-20 секунд...
30 03 2026 16:29:11
- воспитание интереса к физическим упражнениям и подвижным играм...
29 03 2026 21:38:20
Комплексный контроль в большинстве случаев реализуется в ходе тестирования или процедуры измерения результатов в тестах...
28 03 2026 13:50:56
Оно подразумевает увеличение ЧСС, систолического объема, минутного объема сокращения, увеличение легочной вентиляции и энерготрат, повышение температуры тела...
27 03 2026 9:33:35
«Лыжня России» — это такой спортивный праздник, в котором принимают участие – любители лыжных гонок, начинающие молодые спортсмены, и спортсмены с большим спортивным стажем...
26 03 2026 2:58:55
Светлые клетки, образующие наружный слой, играют роль в питании зародыша и носят название трофэктодермы...
25 03 2026 3:55:43
Подводить спортсмена к параметрам тренировочной работы, хаpaктерным для этапа подготовки к высшим достижениям необходимо постепенно, на протяжении ряда лет (8 – 10 лет)...
24 03 2026 20:33:32
> Кислород и углекислый газ диффундируют только в растворенном состоянии, что обеспечивается наличием в воздухоносных путях водяных паров, слизи и сурфактанта.
...
23 03 2026 10:49:54
На этом этапе многолетней подготовки определяется спортивная ориентация спортсменов в зависимости от их врождённых способностей (генетических факторов)...
22 03 2026 21:27:50
Витамины...
19 03 2026 17:28:22
Ни одно из веществ, которые принадлежат к запрещённому классу, не может быть использовано, даже если оно не упомянуто в списке, в связи с идентичностью его фармакологического воздействия с запрещёнными веществами...
18 03 2026 6:51:10
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
17 03 2026 21:49:56
65
3
Показатели ЭКГ
0...
16 03 2026 6:32:20
Россия явилась родиной передового учения о физическом воспитании, которое создали Петр Францевич Лесгафт и его ученики и его ученики и последователи...
15 03 2026 7:15:57
Физические нагрузки они переносят лучше при относительно меньшей частоте пульса и большем повышении кровяного давления...
14 03 2026 15:15:48
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о дыхании
...
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 03 2026 19:57:49
• Формирование знаний о личной гигиене, режиме дня, влиянии физических упражнений на состояние здоровья, работоспособность и развитие двигательных способностей...
11 03 2026 10:33:25
Большое разнообразие упражнений, отнесенных к основной гимнастике, позволяет успешно решать образовательные, оздоровительные и воспитательные задачи...
10 03 2026 18:25:54
Напряжение кислорода и углекислого газа (мм...
09 03 2026 22:21:41
Павлова За открытие в этой области, обобщение новых уникальных данных по проблеме в труде «Лекции о работе пищеварительных желез» И...
08 03 2026 6:29:22
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 
Модели соревновательной деятельности 
Как проявляется аритмия и ее признаки