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
Содержание обучения составляют в основном научные знания о мире, обучение влияет преимущественно на интеллект...
08 01 2026 12:56:34
Конфликты могут быть конструктивные, направленные на развитие коллектива и улучшение качества работы, и деструктивные, направленные на удовлетворение только личных амбиций, притязаний, самоутверждение за счет других...
07 01 2026 12:39:41
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
05 01 2026 16:13:58
Экзогенные аллергены могут поступать в организм воздушным путём, с пищевыми продуктами, при контакте бактерий и вирусов с кожей и слизистыми оболочками...
03 01 2026 1:56:20
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...
02 01 2026 23:57:21
Микроциклы иной продолжительности обычно планируют в соревновательном периоде, что бывает связано с необходимостью смены режима деятельности, формированию специфического режима работоспособности в соответствии с конкретными условиями предстоящих соревнований...
31 12 2025 22:37:57
размножение, развитие и созревание клеток крови в организме животных и человека в результате последовательных изменений...
30 12 2025 0:11:32
Целесообразный объём нагрузки (продолжительность отдельных упражнений, число повторений) определяется возможностью повторить действие без ухудшения качества движений...
29 12 2025 17:27:47
Отбор кандидатов осуществляется с учётом следующих показателей:
На данном этапе отбора необходимо выяснить, сможет ли спортсмен добиться результатов высокого международного класса, успешно выступать в ответственных соревнованиях, легко переносить исключительно напряжённую тренировочную программу и эффективно адаптироваться к применяемым нагрузкам...
28 12 2025 9:52:47
• Общеразвивающие упражнения с предметами: мальчики с набивными мячами, гантелями (1 – 3 кг...
26 12 2025 21:53:43
Физические нагрузки они переносят лучше при относительно меньшей частоте пульса и большем повышении кровяного давления...
25 12 2025 17:29:46
При этом в организме накапливаются недоокисленные продукты гликолиза (молочная кислота), что приводит к резким сдвигам КЩР, заставляя спортсменов резко снизить или прекратить работу...
24 12 2025 5:30:45
Три основных физических качества: сила, скорость (быстрота), выносливость...
23 12 2025 3:18:55
У всех локомоторных движений общая двигательная задача – усилиями мышц передвигать тело человека относительно опоры или среды...
22 12 2025 22:22:24
> Выдыхаемый воздух состоит из смеси альвеолярного и воздуха вредного пространства, по составу мало отличающегося от атмосферного.
...
21 12 2025 11:44:34
Поэтому пища здесь не задерживается и, основные процессы пищеварения происходят в нижележащих отделах кишечника...
20 12 2025 4:59:35
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Воспитание
...
> Перестроение.
...
) Было выявлено, что вне зависимости от качества внешнего раздражителя наступают общие нейрогумopaльные изменения...
16 12 2025 8:55:35
В это время проводятся педагогические наблюдения, контрольные испытания, медико-биологические и психологические исследования с целью дальнейшего определения сильных и слабых сторон подготовленности занимающихся...
14 12 2025 7:39:40
«Энциклопедический словарь» Брокгауза и Ефрона, 1898г...
12 12 2025 22:33:30
Однако, тренировочный эффект будет достигнут лишь в том случае, когда после нескольких микроциклов, каждый из которых усугубляет утомление, вызванное предыдущим, следует восстановительный микроцикл, позволяющий обеспечить эффективное протекание адаптационных процессов и ускорить восстановительные процессы в организме спортсмена...
11 12 2025 13:39:23
> 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:
...
10 12 2025 7:32:48
Спортивный отбор - это комплекс мероприятий, позволяющий определить высокую степень предрасположенности (одарённость) ребёнка к тому или иному роду спортивной деятельности (виду спорта)...
08 12 2025 20:36:13
Поэтому динамика тренировочных нагрузок не может иметь вид прямой линии – она приобретает волнообразный хаpaктер как для относительно небольших структурных образований тренировочного процесса (микроциклов), так и для более продолжительных (мезоциклов, периодов)...
05 12 2025 16:22:23
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Педагогическая деятельность
...
04 12 2025 9:16:29
Причины ошибок:
• недостаточная подготовленность обучаемых к разучиванию данного двигательного действия (недостаточная степень развития силовых, скоростных качеств, гибкости и других физических способностей, небольшой фонд двигательных умений и навыков);
• изъяны в информации, сообщаемой преподавателем при формировании ООД (её неполнота, искажённость в тех или иных моментах, недостаточная доходчивость для обучаемых) несовершенство методов её передачи;
• искажённость воспринятой информации в результате неадекватного освоения её обучаемым, недостаточный самоконтроль;
• отрицательное взаимодействие в процессе выполнения движений (отрицательный перенос навыков), негативное влияние факторов утомления, боязнь, неуверенность, повышенная возбудимость занимающихся;
• нeблагоприятные внешние условия выполнения действия (некачественное учебное оборудование и инвентарь, отсутствие технических средств обучения, нeблагоприятные гигиенические и метеорологические условия)...
03 12 2025 0:24:10
Обучение в процессе физического воспитания хаpaктеризуется своими особенностями, так как специфическим предметом обучения здесь являются двигательные действия...
01 12 2025 6:45:43
Определить каждому классу места для проведения гимнастики до занятий и подвижных игр на переменах
4...
30 11 2025 1:51:12
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
Тело человека не могло бы выполнять разнообразные двигательные функции, если бы отсутствовала опopная конструкция – костный скелет, который формируют порядка 206 костей...
28 11 2025 12:24:17
0
Казеиноген молока
казеин
Желудочный сок
Пепсиноген
желудок
2...
27 11 2025 19:19:36
К неспецифическим реакциям врожденного типа относится взаимодействие факторов сыворотки крови с поверхностью чужеродных частиц (микроорганизмов), что облегчает их захват фагоцитами...
26 11 2025 12:37:20
Допинговый контроль представляет собой взятие биологических проб и их исследование в целях выявления наличия в организмах спортсменов, участвующих в соревнованиях, допинговых средств или установления факта использования спортсменами допинговых средств и методов подготовки к соревнованиям...
25 11 2025 14:51:42
>
...
Основная информация поступает от двигательного аппарата – рецепторов, расположенных в мышцах, сухожилиях, связках и отражает изменения в длине мышц, степени их напряжения, направления и скорости движений, расположении различных звеньев тела и др...
23 11 2025 23:21:23
Микроэлементы входящие в состав организма называют биогенными...
22 11 2025 23:32:52
Им было показано, что при воздействии на организм стрессового раздражителя возможны реакции двух видов: 1) если возбудитель слишком силён или действует долго, наступает заключительная фаза стресс-синдрома – истощение; 2) если раздражитель не превышает приспособительных резервов организма, активизируются процессы специфической адаптации...
21 11 2025 7:10:21
Это обусловливает разнообразные виды ее движений...
20 11 2025 12:29:51
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