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
В текущем контроле оцениваются срочный и отставленный тренировочные эффекты (СТЭ и ОТЭ)...
23 01 2026 9:23:10
Одни из них катализирую окислительно-восстановительные реакции в нервной системе (церулоплазмин), другие расщепляют в крови избыток биологически-активных веществ (холинэстераза), третьи регулируют активность свертывающей и противосвертывающей систем крови...
22 01 2026 20:24:50
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Воспитание
...
В подготовительной части: разминка, вpaбатывание – выход на необходимую функциональную активность систем и органов спортсмена...
16 01 2026 21:32:52
Парксе считал, что «основная задача этой науки заключается в том, чтобы сделать развитие человека наиболее совершенным, упадок жизни – наименее быстрым и cмepть – наиболее отдаленной»...
15 01 2026 1:12:15
Вместе с тем каждый документ имеет своё назначение в системе планирования, выполняет определённую функцию...
14 01 2026 0:38:11
Физиологические механизмы развития двигательных навыков...
13 01 2026 20:57:52
Быстрота зависит от скорости мышечного сокращения, мощности мобилизации химической энергии в мышечном волокне и превращении её в механическую энергию сокращения...
12 01 2026 22:44:31
При фронтальной форме организации занятий группа спортсменов одновременно выполняет одни и те же упражнения (иногда под счёт)...
11 01 2026 15:40:58
Реализация возможностей текущего управления осуществляется двумя путями...
10 01 2026 6:18:29
Так, например, некоторые специалисты считают, что спортсмен находится в состоянии спортивной формы до тех пор, пока колебания его результатов в соревнованиях лежат в зоне 2-3%...
09 01 2026 20:31:49
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
• По месту учебы: школьные (уроки, учебные занятия, работа на пришкольном участке, в лаборатории) и внешкольные (домашняя самостоятельная работа, экскурсии)...
07 01 2026 14:13:34
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
Витамины...
04 01 2026 8:11:53
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...
03 01 2026 2:18:52
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Воспитание
...
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Воспитание
...
В качестве основного средства интегральной подготовки выступают соревновательные упражнения и специально-подготовительные упражнения, максимально приближенные по структуре и особенностям деятельности функциональных систем и соревновательным...
31 12 2025 6:14:31
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
29 12 2025 8:29:41
По силе и мощности сокращения4...
28 12 2025 6:50:46
Эти же процессы лежат в основе аллергических заболеваний...
27 12 2025 11:53:43
Одним из важнейших условий совершенствования рациональной техники является взаимосвязь структуры движений и уровня развития физических качеств...
26 12 2025 4:43:58
В это время проводятся педагогические наблюдения, контрольные испытания, медико-биологические и психологические исследования с целью дальнейшего определения сильных и слабых сторон подготовленности занимающихся...
24 12 2025 10:33:40
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
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...
21 12 2025 6:56:50
Основная методологическая установка: не только не навредить, но и укрепить, улучшить, совершенствовать здоровье...
20 12 2025 16:15:52
Экзогенные аллергены могут поступать в организм воздушным путём, с пищевыми продуктами, при контакте бактерий и вирусов с кожей и слизистыми оболочками...
19 12 2025 14:19:35
Наружная–склера, она непрозрачная, впереди переходит в прозрачную роговицу...
18 12 2025 19:55:28
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Дидактика
...
17 12 2025 15:29:31
Влияние массажа на различные системы организма
Влияние массажа на нервную систему
Влияние массажа на общий обмен веществ
Список литературы1...
16 12 2025 14:16:10
> Кислород и углекислый газ диффундируют только в растворенном состоянии, что обеспечивается наличием в воздухоносных путях водяных паров, слизи и сурфактанта.
...
15 12 2025 4:45:41
Они разделены между собой серповидной связкой печени, которая подвешивает печень к диафрагме, удерживая ее в сагитальной плоскости...
14 12 2025 8:50:50
Оздоровительные силы природы используются по двум направлениям: 1) как сопутствующие факторы, создающие наиболее благоприятные условия, в которых осуществляется процесс физического воспитания; 2) как относительно самостоятельные средства оздоровления и закаливания (солнечные, воздушные ванны и водные процедуры)...
13 12 2025 5:36:28
Управлению на основе данных оперативного контроля подлежат такие хаpaктеристики параметров тренировочной нагрузки, как продолжительность и количество отдельных упражнений, интенсивность работы при их выполнении, продолжительность пауз между отдельными упражнениями и т...
12 12 2025 20:49:25
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...
10 12 2025 3:21:34
Соревнования, особенно главные (Олимпийские игры, чемпионаты мира, крупнейшие международные региональные соревнования), связаны не только с предельными физическими нагрузками, но и с наличием экстремальных условий (жёсткая конкуренция, сложные климатические и погодные условия, особенности судейства, поведение зрителей), определяющих формирование адаптационных реакций...
09 12 2025 9:31:51
Формирование необходимого основного фонда двигательных умений и навыков из отдельных видов спорта, освоение спортивной техники избранного вида спорта...
08 12 2025 23:13:12
Магнус утверждал, что регулярные соревнования в лыжных гонках проводили лапландцы – жители Скандинавии и запада Кольского полуострова...
07 12 2025 13:27:33
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 
Уровень ХГЧ при внематочной беременности (таблица) 
Гипотония и армия
Оздоровительная направленность как важнейший принцип системы физического воспитания