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
Три основных физических качества: сила, скорость (быстрота), выносливость...
15 10 2026 17:28:14
Экзогенные аллергены могут поступать в организм воздушным путём, с пищевыми продуктами, при контакте бактерий и вирусов с кожей и слизистыми оболочками...
14 10 2026 18:48:40
>• По количеству учащихся: массовые, коллективные, групповые, индивидуальные.• По месту учебы: школьные (уроки, учебные занятия, работа на пришкольном участке, в лаборатории) и внешкольные (домашняя самостоятельная работа, экскурсии).• По длительности времени обучения: классический урок (40 – 45 минут), спаренное занятие (90 минут), занятие произвольной продолжительности «без звонков». На различных этапах развития общества находили применение следующие четыре формы обучения. Индивидуальная форма обучения. Это такое обучение, когда учитель обучает каждого ученика отдельно, когда существует непосредственный контакт с учеником; возможность понять ученика, прийти на помощь, исправить ошибки, отметить успехи; учет индивидуального темпа усвоения учебного материала, способностей. Групповая форма обучения. Предполагает работу учащихся в группах по 3 – 6 человек и наиболее целесообразна при проведении практических и лабораторных работ, при отработке навыков. задания. Лекционно – семинарская форма обучения. Данная форма обучения предусматривает более высокий уровень обучения, характерна для вузов. Виды учебных занятий. Лекция – основная форма передачи большого объема систематизированной информации (продолжительностью 80 – 90 минут). Она призвана дать целостное, отчетливое и доказательное представление об изучаемой проблеме. Практическое (семинарское) занятие направлено на углубление и закрепление знаний под руководством преподавателя, на обсуждение результатов самостоятельного изучения учащимися (студентами) темы. Кроме лекций, семинарских и практических занятий существуют и другие, так называемые вспомогательные формы организации учебной работы: экскурсии, конференции, факультативы и курсы по выбору, консультации, тренинги, собеседования, экзамены, зачеты.
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Классно – урочная форма обучения. Это наиболее распространенная форма обучения в школе, возникшая в 17 веке. Ее контуры очертил немецкий педагог И. Штурм, а разработал теоретические основы и воплотил в практику Я. А. Коменский. Это наиболее экономичная система, она обеспечивает доступность, последовательность, прочность обучения, а учитель является руководителей учебно – воспитательного процесса. Она является специфической формой организации учебной работы, состоит в том, что учащиеся одного и того же возраста распределяются по классам, занятия с ними проводятся поурочно, по заранее составленному расписанию, причем все учащиеся класса работают над одним и тем же материалом. Недостатки классно – урочной формы: трудность в учете индивидуальных особенностей учащихся, в организации индивидуальной работы; строгая организационная структура затрудняет связь обучения с реальной жизнью. Классно – урочная система имеет следующие формы: основная форма – урок и традиционные формы – домашняя работа, экскурсии, факультативы, общественно полезный труд, внеклассная работа (кружки, конкурсы, олимпиады, выставки).
...
13 10 2026 14:29:49
В то, что организм работает на износ, это дело второе...
12 10 2026 10:48:30
Интенсивность нагрузки (качественная сторона нагрузки) определяется скоростью преодоления дистанции, величиной преодолеваемого отягощения или сопротивления, темпом движений, плотностью выполнения упражнений в занятии...
11 10 2026 6:20:16
Адаптация обеспечивается скоординированной во времени и прострaнcтве деятельностью всего организма...
10 10 2026 5:58:31
Основной документальной формой учёта данных физкультурного самоконтроля является регулярное ведение дневника самоконтроля (таблица ниже)...
09 10 2026 17:43:35
>2) И.п. – стойка ноги врозь, руки в стороны
...
08 10 2026 16:52:59
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Дидактика
...
07 10 2026 10:49:17
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
06 10 2026 21:47:50
Эти гормоны в виде коллоида находятся в щитовидной железе, поступают в кровь и лимфу...
05 10 2026 19:37:21
На этом этапе многолетней подготовки определяется спортивная ориентация спортсменов в зависимости от их врождённых способностей (генетических факторов)...
04 10 2026 14:22:16
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
02 10 2026 18:23:52
Но как сопоставить возможности одного человека, но проявляемые в разных ситуациях, или возможности разных людей, но проявляемые в одинаковых условиях? Необходима некоторая качественная мера и количественные критерии для сравнения и оценки...
01 10 2026 17:55:23
Микроэлементы входящие в состав организма называют биогенными...
30 09 2026 17:57:28
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
29 09 2026 9:36:31
В частности энергозатраты идут:
• на основной обмен;
• активность физиологических систем (прежде всего дыхательной и циркуляторной) при мышечной деятельности;
• активность мышц, не участвующих в движении, но обеспечивающих поддержание равновесия, сохранения позы и т...
28 09 2026 13:25:13
Теория и методика физической культуры 4 | ...
25 09 2026 15:55:30
• По месту учебы: школьные (уроки, учебные занятия, работа на пришкольном участке, в лаборатории) и внешкольные (домашняя самостоятельная работа, экскурсии)...
22 09 2026 0:43:20
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)...
20 09 2026 22:40:39
Физическое воспитание – это вид воспитания, специфическим содержанием которого являются: обучение движениям, воспитание физических качеств, овладение специальными физкультурными знаниями и формирование осознанной потребности в физкультурных занятиях...
19 09 2026 20:35:36
В сложнокоординационных видах деятельности показателем выносливости является стабильность технически правильного выполнения действия...
18 09 2026 19:32:18
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
17 09 2026 11:28:20
Для младшего школьного возраста ведущими на уроке являются задачи совершенствования естественных двигательных действий (ходьбы, бега, прыжков, метаний, лазаний и т...
15 09 2026 13:17:53
- воспитание интереса к физическим упражнениям и подвижным играм...
14 09 2026 10:45:15
Программа соответствует приоритетным задачам социально-экономического развития РФ...
13 09 2026 19:57:15
Помещают на поверхности клетки, в межклеточном прострaнcтве...
12 09 2026 15:13:52
> Урочные формы занятий
Классификация форм занятий в физическом воспитании
Урочные формы занятий в физическом воспитании и спорте
План-конспект урока
Анализ урока
Хронокарта урока
Термины общеразвивающих упражнений
Термины акробатических упражнений
Правила и формы записи упражнений
...
09 09 2026 7:41:37
Основной задачей втягивающих мезоциклов является постепенное подведение спортсменов к эффективному выполнению специфической тренировочной работы в последующих мезоциклах...
08 09 2026 22:42:14
Основная методологическая установка: не только не навредить, но и укрепить, улучшить, совершенствовать здоровье...
07 09 2026 3:27:25
В качестве основного средства интегральной подготовки выступают соревновательные упражнения и специально-подготовительные упражнения, максимально приближенные по структуре и особенностям деятельности функциональных систем и соревновательным...
06 09 2026 10:48:42
В процессе эволюции только у позвоночных образуются различные типы иммуноглобулинов...
04 09 2026 7:19:11
Гормоны контролируют все важнейшие процессы в организме, изменяя активность генов, процессы онтогенетического развития, дифференцировку тканей, формирование пола, размножение...
02 09 2026 14:54:25
> Желчные кислоты принимают участие в процессе переваривания жира. Желчный пигмент билирубин образуется из гемоглобина в процессе разрушения эритроцитов в печени. Темный цвет желчи обусловлен наличием в ней этого пигмента. Желчь повышает активность ферментов поджелудочного и кишечного соков, особенно липазы. Она эмульгирует жиры, и растворяет продукты их гидролиза, чем способствует их всасыванию. Создавая щелочную реакцию в 12-перстной кишке, желчь препятствует разрушению трипсина пепсином. Она выполняет и регуляторную роль, являясь стимулятором желчеобразования, желчевыделения, моторной и секреторной деятельности тонкого кишечника. Желчь обладает также бактериостатическими свойствами. Задерживая гнилостные процессы в кишечнике. Велика роль желчи во всасывании из кишечника жирорастворимых витаминов, холестерина, аминокислот и солей кальция.
...
01 09 2026 10:17:28
Для определения общей плотности урока или его частей суммируются показатели времени активной деятельности на уроке (Tад)...
31 08 2026 0:50:47
> 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.
...
30 08 2026 9:38:19
Подводить спортсмена к параметрам тренировочной работы, хаpaктерным для этапа подготовки к высшим достижениям необходимо постепенно, на протяжении ряда лет (8 – 10 лет)...
29 08 2026 9:53:13
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
