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
Хорошая гибкость обеспечивает свободу, быстроту и экономичность движений, увеличивая путь эффективного приложения усилий при выполнении физических упражнений...
30 09 2026 19:17:23
Система соревнований частично выходит за рамки спортивной подготовки, так как подготовительную функцию выполняют только такие виды соревнований как контрольные, подготовительные, отборочные, подводящие соревнования, к главным соревнованиям (самым ответственным в данном соревновательном периоде) ведется специальная подготовка, и они как - бы выходят за рамки спортивной подготовки...
29 09 2026 14:20:12
Под самоорганизующейся системой понимают систему, обладающую способностью улучшать свою организацию, то есть совокупность связей между большим числом структурных элементов, определяющих функционирование системы в целом...
28 09 2026 18:36:21
Продолжительность отдельных упражнений – от 1-2 секунд до 15-20 секунд...
26 09 2026 10:13:36
- воспитание интереса к физическим упражнениям и подвижным играм...
25 09 2026 8:30:43
Многообразие частных задач (формирование мотивационных установок, воспитание волевых качеств, совершенствование двигательных навыков, развитие интеллекта, достижение психической устойчивости к тренировочным и соревновательным нагрузкам), приводят к тому, что любое тренировочное средство в той или иной мере способствует решению задач психической подготовки...
24 09 2026 3:28:17
Оно подразумевает увеличение ЧСС, систолического объема, минутного объема сокращения, увеличение легочной вентиляции и энерготрат, повышение температуры тела...
23 09 2026 10:22:42
В качестве носителей культуры выступают люди...
22 09 2026 5:13:10
Управление системой, противодействие влияющим на неё факторам дезорганизации осуществляется естественными, самой системе присущими средствами и механизмами...
21 09 2026 10:37:11
> Физическое воспитание детей среднего школьного возраста
Особенности возрастного развития
Задачи физического воспитания
Средства физического воспитания
Особенности методики физического воспитания
...
20 09 2026 3:49:22
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Педагогическая деятельность
...
19 09 2026 22:10:13
> Процесс дыхания представляет собой процесс управления легочной вентиляцией для обеспечения оптимального газового состава внутренней среды организма. Основную роль в регуляции дыхания играют рефлекторные реакции, возникающие в результате возбуждения специфических рецепторов, заложенных в легочной ткани, сосудистых рефлексогенных зонах и скелетных мышцах. Центральный аппарат регуляции дыхания представляют нервные образования спинного мозга, продолговатого и вышележащих сегментов Ц Н С.
...
18 09 2026 15:59:52
Варианты построения 4-летнего олимпийского цикла
Вариант
1 – год
2 – год
3 – год
4 – год
Рекомендуется
Первый
Повышение общего объёма и объёма нагрузки повышенной интенсивности
Молодым спортсменам, готовящимся к своей первой Олимпиаде
Второй
Увеличение общего объёма и объёма нагрузки повышенной интенсивности
У Стабилизация объёма тренировочных нагрузок и объёма работы повышенной интенсивности
Молодым и опытным спортсменам
Третий
Снижение общего объёма и объёма нагрузки повышений интенсивности
Повышение общего объёма и объёма нагрузки повышенной интенсивности
Снижение общего объёма и объёма нагрузки повышенной интенсивности
Повышение общего объёма нагрузки и объёма нагрузки повышенной интенсивности
Опытным спортсменам, готовящимся к своей второй или третьей Олимпиаде
Раздел статьи:
Основы спортивной тренировки
...
15 09 2026 14:15:19
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 12:50:12
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
11 09 2026 10:17:20
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
10 09 2026 19:39:22
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
09 09 2026 13:11:20
Физические нагрузки они переносят лучше при относительно меньшей частоте пульса и большем повышении кровяного давления...
08 09 2026 13:26:59
> 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
...
07 09 2026 6:13:50
В основных занятиях выполняется основной объём работы, связанной с решением главных задач подготовки...
06 09 2026 19:41:34
Воспитывалось презрение к труду, в том числе умственному...
05 09 2026 11:23:11
После измельчения и перетирания зубами пища подвергается химической обработке благодаря действию гидролитических ферментов слюны...
03 09 2026 16:56:55
>
...
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
В структуре мышечной ткани различают два типа мышечных волокон – медленно сокращающиеся (МС) и быстросокращающиеся (БС)...
31 08 2026 23:27:55
Центростремительной силой называется проекция равнодействующей силы на тот радиус окружности, на котором в данный момент находится тело...
30 08 2026 23:50:56
Как правило, учебный план делится на два основных раздела: теоретический и пpaктический...
29 08 2026 6:20:23
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...
28 08 2026 11:44:41
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...
27 08 2026 14:36:33
Педагогический контроль осуществляется тренером, преподавателем...
26 08 2026 17:24:43
- провозглашение) не имеет обязательной силы...
25 08 2026 6:49:56
Подводить спортсмена к параметрам тренировочной работы, хаpaктерным для этапа подготовки к высшим достижениям необходимо постепенно, на протяжении ряда лет (8 – 10 лет)...
23 08 2026 9:36:15
> Функциональные резервы человека (таблица) Физиологическая характеристика состояний организма при спортивной деятельности Физиологические основы спортивной тренировки Физиологические обоснования принципов спортивной тренировки Физиологические механизмы развития физических качеств Сенситивные периоды (возраст) развития физических качеств (таблица) Показатели влияния наследственности на физические качества человека (таблица) Показатели влияния наследственности на некоторые морфофункциональные признаки организма человека (таблица)
...
22 08 2026 19:21:15
Следствием руководства этим принципом является непрекращающийся рост мастерства спортсменов и спортивных рекордов...
21 08 2026 0:12:19
Они наиболее часто используются в лаконичной форме, особенно в процессе подготовки квалифицированных спортсменов, чему способствует специальная терминология, сочетание словесных методов с наглядными...
20 08 2026 0:46:38
В главных соревнованиях спортсмен должен находиться в состоянии спортивной формы, то есть в готовности показать свой максимальный результат, победить или занять возможно более высокое место...
19 08 2026 11:25:30
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Сенсорные системы»
...
18 08 2026 23:46:27
В том месте, где на кривой Хилла скорость стремится к максимуму, сила стремится к нулю...
14 08 2026 4:19:30
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
