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
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Воспитание
...
Целесообразный объём нагрузки (продолжительность отдельных упражнений, число повторений) определяется возможностью повторить действие без ухудшения качества движений...
30 12 2025 18:20:37
>1. Знание предмета• профессиональная компетентность;• высокая специально-практическая подготовленность;• опыт в воспитании и обучении;• научная квалификация.2. Педагогическое творчество• творческое воображение;• нестандартное мышление;• потребность в поиске новой информации;• постоянное стремление к совершенству;• умение продуктивно сочетать формы, средства и методы.3. Педагогическая технология• техника и экспрессия речи;• ясность и логичность мысли, убедительность рассуждений;• выразительность мимики и жестов;• умение выбрать необходимые средства и методы обучения и воспитания;• владение образцовым показом приема, действия.4. Педагогический стиль• педагогическая направленность и убежденность;• умение адекватно воспринимать и оценивать свою и чужую деятельность;• педагогически направленное общение и поведение (рефлексия, аттракция);• педагогический такт и этика;• повседневный интерес к внутреннему миру воспитанников (эмпатия);• умение слушать и слышать.5. Качества личности• деловые: добросовестность, ответственность, трудолюбие, дисциплинированность, энергичность, точность;• рефлексивные: аккуратность, подтянутость, самокритичность, кругозор, эрудиция; рефлексия – способность осознавать себя, свои состояния, видеть себя «со стороны», чувствовать, как тебя оценивают другие.• коммуникативные: внимательность, честность, надежность, справедливость, сдержанность, требовательность, обязательность;• эмпатийные: гуманность, взаимопонимание, доброта, тактичность, обязательность, способность к сопереживанию и аттракции; (эмпатия – умение чувствовать другого человека, его переживания, мотивы поступков; сопереживание, понимание душевного состояния человека, аттракция – (от лат. – притяжение) – способность быть открытым, обаятельным, обладать притягательной силой)• идейно-нравственные: убежденность, принципиальность, патриотизм, коллективизм, порядочность, интеллигентность. Педагогическая техника – это совокупность практических умений и навыков, необходимых для организации творческой деятельности учителя-воспитателя. Это важнейшее слагаемое педагогического мастерства.
...
29 12 2025 4:32:11
Основная методологическая установка: не только не навредить, но и укрепить, улучшить, совершенствовать здоровье...
28 12 2025 19:17:51
При окислении 1 г жира в организме человек получает 9,3 ккал энергии, больше, чем при окислении углеводов и белков...
27 12 2025 18:56:21
> Физическое воспитание детей среднего школьного возраста
Особенности возрастного развития
Задачи физического воспитания
Средства физического воспитания
Особенности методики физического воспитания
...
26 12 2025 23:34:20
Три основных физических качества: сила, скорость (быстрота), выносливость...
25 12 2025 7:35:35
Когда-то они входили в белки кудахтающих кур, флегматично жующих коров, заботливо взращенной сои...
24 12 2025 9:12:57
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
21 12 2025 7:48:35
Цели ФВ: 1) физическое совершенствование; 2) здоровье; 3) формирование привычек здорового образа жизни...
20 12 2025 15:34:11
Светлые клетки, образующие наружный слой, играют роль в питании зародыша и носят название трофэктодермы...
19 12 2025 0:19:52
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...
18 12 2025 5:40:28
Интенсивность нагрузки (качественная сторона нагрузки) определяется скоростью преодоления дистанции, величиной преодолеваемого отягощения или сопротивления, темпом движений, плотностью выполнения упражнений в занятии...
17 12 2025 10:54:10
Белки служат источником незаменимых аминокислот и так называемого неспецифического азота, необходимого для синтеза белка...
16 12 2025 3:53:35
> Динамические характеристики
Основные понятия и законы динамики
Динамика вращательного движения материальной точки и твёрдого тела
Центр масс тела. Равновесие. Масса тела
Виды сил в природе
Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения. Вес тела.
Силы упругости
Силы трения покоя и скольжения
Сила сопротивления при движении в воде или атмосферном воздухе
...
15 12 2025 4:43:44
Управление системой, противодействие влияющим на неё факторам дезорганизации осуществляется естественными, самой системе присущими средствами и механизмами...
14 12 2025 15:39:32
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...
13 12 2025 1:26:46
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
12 12 2025 8:11:12
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
11 12 2025 7:45:55
Каналы и полости височной кости образуют костный лабиринт вестибулярного аппарата и частично перепончатый лабиринт...
10 12 2025 10:23:34
Собственно-силовые способности – хаpaктеризуются тем, что основную роль в их проявлении играет активация процессов максимального и околомаксимального мышечного напряжения...
09 12 2025 12:49:41
Это обусловливает разнообразные виды ее движений...
08 12 2025 8:24:21
Поэтому последующие занятия в микроциклах и мезоциклах могут проводиться как при повышенной или восстановившейся работоспособности, так и на фоне частичного недовосстановления...
07 12 2025 14:42:26
Можно говорить о системе методов педагогических исследований...
06 12 2025 13:36:17
При этом в организме накапливаются недоокисленные продукты гликолиза (молочная кислота), что приводит к резким сдвигам КЩР, заставляя спортсменов резко снизить или прекратить работу...
05 12 2025 20:58:23
Запретна применение диуретиков в спорте был обусловлен тем, что их стали использовать для маскировки применения допинговых веществ...
04 12 2025 23:43:11
Систола предсердий, когда желудочки расслаблены и заполняются кровью...
03 12 2025 11:30:44
Центр масс тела. Равновесие. Масса тела | ...
02 12 2025 12:21:26
В качестве основного средства интегральной подготовки выступают соревновательные упражнения и специально-подготовительные упражнения, максимально приближенные по структуре и особенностям деятельности функциональных систем и соревновательным...
01 12 2025 15:12:31
Для этого необходим комплексный подход в решении задач нравственного, эстетического, физического, умственного и трудового воспитания...
30 11 2025 3:24:37
Цель конкретизируют системой частных задач с определением последовательности и сроком реализации...
29 11 2025 23:35:57
Леонардо особенно интересовался строением человеческого тела (анатомией) в связи с движением...
27 11 2025 6:17:46
Общая выносливость – способность длительно выполнять любую циклическую работу умеренной мощности с участием больших групп мышц...
26 11 2025 21:28:29
Двигательной реакцией принято называть процесс, который начинается с восприятия информации, побуждающей к действию (стартовый сигнал, ситуация имеющая сигнальное значение) и заканчивающаяся с началом ответных действий – стартовых, либо начинающихся в порядке переключения от одного действия к другому...
25 11 2025 5:39:15
), направленная на повышение функциональных возможностей сердечно-сосудистой и дыхательной систем...
23 11 2025 4:50:55
Если внутри выделенных фаз рассмотреть более подробно хаpaктер двигательных действий, то каждую из фаз можно разделить следующим образом:
• в фазе опоры есть подфаза амортизации и подфаза активного отталкивания ногой;
• в фазе переноса маховой ноги выделяются подфазы маха назад и маха вперёд...
22 11 2025 2:41:14
> Кислород и углекислый газ диффундируют только в растворенном состоянии, что обеспечивается наличием в воздухоносных путях водяных паров, слизи и сурфактанта.
...
21 11 2025 5:28:24
Парксе считал, что «основная задача этой науки заключается в том, чтобы сделать развитие человека наиболее совершенным, упадок жизни – наименее быстрым и cмepть – наиболее отдаленной»...
20 11 2025 1:49:59
В спортивных играх, единоборствах и других видах спорта в основном встречаются следующие способы проведения соревнований: круговой, отборочно-круговой, смешанный и способ прямого выбывания...
19 11 2025 11:45:12
Однако в этом упражнении ни амплитуда движения, ни, что ещё более важно, акцентируемый участок движения не соответствует таковым в беге и прыжках...
17 11 2025 3:36:35
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
16 11 2025 0:42:53
В Российской Федерации устанавливаются следующие спортивные разряды:
1) кандидат в мастера спорта;
2) первый спортивный разряд;
3) второй спортивный разряд;
4) третий спортивный разряд;
5) первый юношеский разряд;
6)второй юношеский разряд;
7) третий юношеский разряд...
15 11 2025 1:11:23
Такая мышца не может считаться вполне здоровой...
14 11 2025 10:42:46
Главными адаптирующими факторами при этом являются объём и интенсивность специфических тренировочных нагрузок, приближённых к соревновательным, а в некоторых фрагментах и превышающих их...
13 11 2025 14:38:48
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