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
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)...
28 10 2026 19:49:53
Формирование необходимого основного фонда двигательных умений и навыков из отдельных видов спорта, освоение спортивной техники избранного вида спорта...
27 10 2026 19:50:35
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
25 10 2026 12:57:47
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...
24 10 2026 0:50:54
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Педагогическая деятельность
...
23 10 2026 3:41:50
Имеет место смешение понятий «культура здоровья», «культура здорового образа жизни», «валеологическая культура»...
22 10 2026 2:12:35
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Пищеварение»
...
20 10 2026 15:21:34
Систола предсердий, когда желудочки расслаблены и заполняются кровью...
19 10 2026 10:42:41
Состав скоростно-силовых упражнений широк и разнообразен...
18 10 2026 20:35:42
Эффективность отбора в значительной степени связана с оценкой у спортсменов основных показателей, хаpaктеризующих уровень их специальной подготовленности и спортивного мастерства...
17 10 2026 21:47:31
> Третий этап – Результирующая отработка действия
Цель и решаемые задачи
Типичные средства и методы третьего этапа
Завершающая отработка О О Д
Обеспечение стабильности, вариативности и надёжности двигательного навыка
Общая регламентация режима упражнений
Предупреждение и исправление ошибок
Контроль за формированием навыка и его совершенствованием
...
15 10 2026 4:39:44
> 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
...
14 10 2026 15:28:26
style="text-align: justify;">1. Воспитание человека совершается только при условии активности самого воспитанника.2. Содержание деятельности воспитанника определяется на каждый данный момент развития его актуальными потребностями.3. В процессе воспитания необходимо соблюдение пропорционального соотношения усилий воспитателя и воспитанников.4. Процесс воспитания должен осуществляться в условиях уважения, помощи, проявления педагогического такта.5. Организуемые воспитательные воздействия должны сопровождаться ситуацией успеха, внутренней удовлетворенностью воспитанников собственными действиями и полученными результатами.6. Воспитание должно носить «скрытый» характер. Воспитанники не должны чувствовать себя объектами приложения педагогических нравоучений.
...
13 10 2026 15:53:27
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о дыхании
...
Стартовые положения – это исходные позы для последующего передвижения, которые обеспечивают лучшие условия для развития стартового ускорения...
10 10 2026 16:48:45
Они наиболее часто используются в лаконичной форме, особенно в процессе подготовки квалифицированных спортсменов, чему способствует специальная терминология, сочетание словесных методов с наглядными...
08 10 2026 8:59:38
> Жиры всасываются большей частью в лимфу в виде жирных кислот и глицерина только в верхней части тонкого кишечника. Жирные кислоты нерастворимы в воде, поэтому их всасывание, а также всасывание холестерина и других липоидов происходит лишь при наличии желчи.(см.рис Переваривание и всасывание липидов)
...
07 10 2026 21:56:54
Внешние мотивы могут быть разделены на положительные и отрицательные...
06 10 2026 7:51:48
Напряжение кислорода и углекислого газа (мм...
05 10 2026 2:18:44
style="text-align: justify;"> Система воспитания носила военно – физический характер. Цели спартанской педагогики: послушание старшим, физическая закалка и выносливость, «наука побеждать». Дети рабовладельцев, вне семьи, учились чтению, письму, счету, получали музыкальное воспитание (хоровое пение), много времени отводилось военно – физическим упражнениям. Для девушек, кроме традиционной (домоводство, уход за ребенком) существовала специальная военно – физическая система (бег, прыжки, борьба, метание копья, диска).
...
04 10 2026 16:42:44
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Сенсорные системы»
...
03 10 2026 17:58:38
В желудке всасывается вода и алкоголь, небольшое количество солей и продуктов расщепления углеводов...
02 10 2026 22:44:38
Ниже приведены наиболее общие морфологические хаpaктеристики спортсменов высокого класса, специализирующихся в различных видах спорта, а также оптимальные возрастные границы для достижения наивысших спортивных результатов...
01 10 2026 10:17:58
Наукой доказано, что здоровье человека только на 10 - 15 % зависит от деятельности учреждений здравоохранения, на 15 - 20 % - от генетических факторов, на 20 -25 % - от состояния окружающей среды и на 50 - 55 % - от условий образа жизни...
30 09 2026 0:30:21
«Лыжня России» — это такой спортивный праздник, в котором принимают участие – любители лыжных гонок, начинающие молодые спортсмены, и спортсмены с большим спортивным стажем...
29 09 2026 23:13:36
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...
28 09 2026 10:32:40
В конце этой стадии наблюдается необходимая гипертрофия органов, слаженность деятельности различных звеньев и механизмов, обеспечивающих эффективную деятельность функциональной системы в новых условиях...
27 09 2026 12:24:14
Временные масштабы планирования – исходя из временного масштаба, на которое осуществляется планирование (перспективное, этапное или краткосрочное) определяется структура плана и степень его детализации...
26 09 2026 17:40:31
• Отсутствие или невыраженность структуры построения занятий, то есть подготовительная, основная и заключительная части занятия кратковременны и ограничены по содержанию, а иногда и не выражены (например: оздоровительный бег, гигиеническая гимнастика, физкультминутки)...
25 09 2026 15:39:35
> Список литературы1. Бирюков А. А. Массаж – М.: Фи С, 19882. Бирюков А. А., Кафаров К. А. Средства восстановления работоспособности спортсмена М.: Фи С, 1979-151с.3. Белая Н. А. Руководство по лечебному массажу. М.: Медицина, 19834. Васичкин В. И. Справочник по массажу. Спб, - 1991
...
24 09 2026 16:24:12
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...
23 09 2026 1:21:20
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
22 09 2026 8:38:50
Философия является фундаментом педагогики...
21 09 2026 21:50:32
Управление системой, противодействие влияющим на неё факторам дезорганизации осуществляется естественными, самой системе присущими средствами и механизмами...
20 09 2026 22:59:26
Воздух разбавляет до безопасных концентраций ряда химических загрязнителей...
19 09 2026 3:33:17
При физических нагрузках, когда МОД достигает 150-200 л*мин-1...
17 09 2026 9:31:44
> 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
...
15 09 2026 12:38:13
для движения вперёд вода должна отбрасываться назад...
14 09 2026 13:12:59
Стиль – это индивидуально-типологические особенности взаимодействия педагога и учащихся...
13 09 2026 11:44:54
> Биодинамика ходьбы и бега. Стартовые действия.
Локомоторные движения
Биомеханика ходьбы и бега. Разделение на фазы
Биомеханика ходьбы и бега. Величина силы реакции опоры
Биодинамика бега
Стартовые действия
...
12 09 2026 6:44:20
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Педагогическая деятельность
...
10 09 2026 23:36:39
Одним из первых актов созданной в1945 г...
09 09 2026 12:57:24
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
