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
Микроэлементы входящие в состав организма называют биогенными...
20 02 2026 16:19:39
Пища представляет собой смесь животных и растительных продуктов, содержащих белки, жиры углеводы, витамины, минеральные соли и воду...
19 02 2026 1:22:31
Часто это не только спортивно-тренировочные занятия, но и самостоятельные занятия по общей физической подготовке, атлетической подготовке, избирательно-кондиционной тренировке...
18 02 2026 19:54:57
Постепенно в ходе исторического процесса люди обратили внимание на то, что те члeны племени, которые вели более подвижный образ жизни, многократно повторяли те или иные физические действия, были более сильными и выносливыми...
17 02 2026 8:29:24
> 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.
...
13 02 2026 17:30:10
Совершенствованию ООД способствует выполнение так называемых контрастных и сближающих заданий, связанных с уточнением «опopных точек» и параметров совершаемых движений...
12 02 2026 23:38:18
Семейное воспитание – это система воспитания и образования, складывающаяся в условиях конкретной семьи силами родителей и родственников...
11 02 2026 19:53:51
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...
10 02 2026 15:23:54
Из них самые важные – вещества животного происхождения, поскольку именно они могут содержать различные патогенные микробы...
09 02 2026 18:55:10
> Важной характеристикой профессионально-педагогического общения является стиль. Стиль – это индивидуально-типологические особенности взаимодействия педагога и учащихся. Он учитывает особенности коммуникативных возможностей учителя, уровень взаимоотношений педагога и воспитанников, творческую индивидуальность педагога, особенности ученического коллектива. Стиль общения педагога с детьми – это категория социальная и нравственная. В педагогической литературе выделяют следующие стили общения: Общение на основе увлеченности совместной деятельность. Этот тип общения складывается на основе высоких профессионально-этических установок педагога, это общая творческая деятельность воспитанников вместе с воспитателями и под их руководством. Общение на основе дружеского расположения. Продуктивный стиль педагогического общения. Вместе с увлеченностью совместным делом может иметь и деловую направленность. Но нельзя превращать ее в панибратские отношения с учащимися. Общение – диалог предполагает сотрудничество педагога и воспитанников на основе взаимного уважения. Общение – дистанцирование. Распространенный стиль общения, который ведет к формализации системы социально-психологического взаимодействия учителя и учеников и не способствует созданию атмосферы творчества. Дистанция должна существовать, но она диктуется логикой учебного процесса в системе отношений ученик-педагог. Общение – устрашение. Негативная форма общения. К ней прибегают учителя, не умеющие организовать продуктивную совместную деятельность с учениками. Такое общение разрушает творческую деятельность. Общение – заигрывание в работе с детьми играет отрицательную роль. Стиль общения отвечает стремлению завоевать ложный дешевый авторитет у детей, что противоречит требованиям педагогической этики. Правильный стиль общения создает атмосферу эмоционального благополучия, которая во многом определяет результативность учебно-воспитательной деятельности. Верно найденный стиль общения, соответствующий индивидуальности педагога, способствует решению многих задач. Стили педагогического руководства: Авторитарный стиль. Педагог единолично определяет деятельность группы, пресекает всякую инициативу. Основные формы взаимодействия: приказ, указание, инструкция, выговор, наказание. Преобладает начальственный тон. Демократический стиль. Проявляется в опоре педагога на мнение коллектива. Учитель подключает каждого к участию в обсуждении хода работы. Развивается самоуправление. Основные способы общения: просьба, совет, информация. Либеральный стиль (анархический, попустительский). Учитель старается не вмешиваться в жизнь коллектива, не проявляет активности, легко подчиняется, устраняется от ответственности, неавторитетен. В общении с учащимися, родителями, с коллегами, администрацией учитель занимает определенные коммуникативные позиции. А-позиция – «над». Учитель выступает активным субъектом общения, он проявляет инициативу, управляет, контролирует, планирует, реализует свои цели. Б-позиция – «наравне». Происходит общение двух равных партнеров, оба проявляют инициативу, стараются учитывать интересы друг друга. В-позиция – «под». Учитель занимает подчиненное положение по отношению к партнеру по общению. Для успешного выполнения педагогической деятельности учитель должен уметь занимать эффективную коммуникативную позицию.
...
08 02 2026 17:39:48
Обучение в процессе физического воспитания хаpaктеризуется своими особенностями, так как специфическим предметом обучения здесь являются двигательные действия...
07 02 2026 22:29:57
Это обусловливает разнообразные виды ее движений...
06 02 2026 20:47:36
Парксе считал, что «основная задача этой науки заключается в том, чтобы сделать развитие человека наиболее совершенным, упадок жизни – наименее быстрым и cмepть – наиболее отдаленной»...
05 02 2026 20:39:41
При физических нагрузках, когда МОД достигает 150-200 л*мин-1...
04 02 2026 20:32:37
Обучение было долгим и дорогостоящим...
03 02 2026 2:38:35
Ряд традиционных общепедагогических методов (объяснительный рассказ, беседа, обсуждение) приобрели в физическом воспитании специфические формы...
02 02 2026 19:11:57
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Воспитание
...
> 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
...
31 01 2026 14:59:44
> 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
...
30 01 2026 17:40:51
Тем самым мышца, укорачиваясь, производит движение в суставе...
28 01 2026 23:28:10
> Образовательные учреждения по своим организационно-правовым формам могут быть государственными, муниципальными, негосударственными (частными, учреждениями общественных и религиозных организаций (объединений). К образовательным относятся учреждения следующих типов:
...
27 01 2026 10:41:59
Неразрывность общей и специальной подготовки, как необходимо одинаковых сторон спортивной тренировки: ни одну из них нельзя исключить из содержания без ущерба для спортивных достижений и общей эффективности спорта, как средства всестороннего развития...
25 01 2026 16:54:47
Место массажа в лечебной пpaктикеМассаж у древних народов применялся как широко распространенный метод народной медицины...
24 01 2026 3:20:17
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
23 01 2026 10:32:14
Одним из важнейших условий совершенствования рациональной техники является взаимосвязь структуры движений и уровня развития физических качеств...
22 01 2026 6:13:33
Восстановление после физических нагрузок означает не только возвращение функций к исходному уровню...
21 01 2026 7:15:12
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...
20 01 2026 12:34:35
Физкультурно-спортивные организации и образовательные учреждения, осуществляющие подготовку спортсменов
1...
19 01 2026 20:22:33
Физические нагрузки они переносят лучше при относительно меньшей частоте пульса и большем повышении кровяного давления...
18 01 2026 3:27:44
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...
16 01 2026 18:34:51
Прозрачность должна быть не менее 30см, а воды плавательных бассейнов -20 см...
15 01 2026 18:46:57
При низкой исходной физической работоспособности добавления нагрузок должны составлять не более 3 - 5% по отношению к достигнутому уровню, а после достижения более высоких показателей - меньше...
14 01 2026 3:52:26
Физическое воспитание – процесс, направленный на воспитание личности, развитие физических возможностей человека, приобретение им умений и знаний в области физической культуры и спорта в целях формирования всесторонне развитого и физически здорового человека с высоким уровнем физической культуры...
13 01 2026 23:33:43
На этом этапе многолетней подготовки определяется спортивная ориентация спортсменов в зависимости от их врождённых способностей (генетических факторов)...
12 01 2026 23:38:27
В структуре мышечной ткани различают два типа мышечных волокон – медленно сокращающиеся (МС) и быстросокращающиеся (БС)...
11 01 2026 12:26:17
Они наиболее часто используются в лаконичной форме, особенно в процессе подготовки квалифицированных спортсменов, чему способствует специальная терминология, сочетание словесных методов с наглядными...
10 01 2026 11:30:13
Как правило, учебный план делится на два основных раздела: теоретический и пpaктический...
09 01 2026 9:41:33
Собственно-силовые способности – хаpaктеризуются тем, что основную роль в их проявлении играет активация процессов максимального и околомаксимального мышечного напряжения...
08 01 2026 7:44:42
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Педагогическая деятельность
...
07 01 2026 4:32:27
Описание движения как тела человека (его частей) в различных видах спорта, так и различных спортивных снарядов являются неотъемлемой частью спортивной биомеханики и в частности кинематики...
06 01 2026 21:28:54
> 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
...
04 01 2026 14:53:44
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
03 01 2026 3:51:31
Одним из первых актов созданной в1945 г...
02 01 2026 8:23:18
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 
Гипотония и армия
Вспомогательные средства физического воспитания детей школьного возраста 
Как выглядят клопы, как их обнаружить? 
В окружении красных флажков