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
• Критерий эффективности техники действия выводят на основе сопоставления его результативности при целостном воспроизведении и так называемого двигательного потенциала, оцениваемого в тесте, являющимся упрощённым вариантом действия...
24 03 2026 8:54:30
Располагается сердце между легкими, в средостении...
23 03 2026 23:54:42
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Воспитание
...
При помощи современной аппаратуры можно измерить максимальную силу всех основных мышечных групп в статических и динамических усилиях...
21 03 2026 6:34:54
Ряд традиционных общепедагогических методов (объяснительный рассказ, беседа, обсуждение) приобрели в физическом воспитании специфические формы...
20 03 2026 7:35:26
Прострaнcтвенно техника физических упражнений хаpaктеризуется рациональным взаиморасположением звеньев двигательного аппарата человека, обеспечивающим: целесообразное исходное положение перед началом движений, оперативную позу в процессе его выполнения и соблюдение оптимальной траектории движений...
19 03 2026 18:15:40
>• профпросвещение – формирование у учащегося положительного отношения к труду учителя Ф К (тренера по И В С);• профинформация – ознакомление учащегося с деятельностью учителя Ф К, тренера; с кругом профессий в области Ф К и С (менеджер по спорту, методист по спорту, инструктор по спорту);• профагитация – доведение до сознания учащегося общественной значимости труда учителя Ф К, тренера;• профпропаганда – привлечение учащегося к оформлению наглядности по профориентации и методического кабинета;• профдиагностика – всестороннее изучение личности учащегося: интересы, мотивация, индивидуально-типологические особенности (темперамент, характер и т.д.), занятость в свободное время.• профвоспитание1. Оказание помощи в приобретении З У Н и развитие у учащегося склонностей и способностей путем включения их в практическую деятельность по профилю выбранной специальности (проведение спортивного занятия, тренировки, участие в проведении внеклассных спортивных мероприятий), при этом реализуется один из принципов психологии развитие личности в деятельности.2. Формирование устойчивого интереса к выбранной профессии, благодаря качественно проведенным занятиям и спортивным мероприятиям.3. Формирование личностных качеств, включающих следующие компоненты:- профессионально-педагогический: интерес к профессии, к Ф К и С, любовь к детям, значимые мотивы выбора профессии, качества личности (педагогический такт, принципиальность, справедливость);- мировоззренческий проявляется в моральных качествах, в осознании общественного долга, ответственности, общественной активности;- познавательный направлен на овладение знаниями, на стремление к самосовершенствованию, на творческое отношение к работе и учебе.4. Формирование у учащегося аналитического подхода к выбору профессии на основе оценки своих способностей.• профконсультацииа) ознакомление с требованиями, предъявляемыми к личности учителя Ф К, тренера.б) оказание помощи в выборе конкретной специальности, в выборе физкультурного учебного заведения.• профадаптация - осуществление контроля и помощи выпускникам в овладении профессией в процессе учебы в физкультурном вузе. Важную роль в ориентации учащихся на педагогическую деятельность играет личность педагога. Учитель Ф К, тренер являет собой агитационный «плакат», призывающий к выбору именно его профессии (... или отталкивающий). Спортивные наставники призваны помочь разрешить юным спортсменам вопрос «кем быть?» и показать им «какими они должны быть».« Трудно переоценить роль личности учителя, его духовного облика в пробуждении и развитии способностей, наклонностей, талантов ученика». ( В. А. Сухомлинский). Работа по профессиональной ориентации в вузе на учительскую профессию может эффективно осуществляться по направлениям:1. согласованное и преемственное взаимодействие школы и педагогического вуза по профессиональной ориентации школьников и студентов;2. выполнение студентами дифференцированных корректировочных программ по профориентации с учетом типологических особенностей, характеризующихся наличием довузовского опыта педагогической деятельности и мотивов выбора профессии учителя;3. вовлечение студентов в различные виды профориентационной деятельности в школах с целью корректировки мотива выбора учительской профессии. Таким образом, подготовка к профессии учителя должна начинаться задолго до того, как человек делает свой профессиональный выбор, и продолжается в процессе его профессиональной подготовки в соответствующем учебном заведении.
...
18 03 2026 11:48:57
> 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:
...
17 03 2026 13:19:38
Временные масштабы планирования – исходя из временного масштаба, на которое осуществляется планирование (перспективное, этапное или краткосрочное) определяется структура плана и степень его детализации...
16 03 2026 9:52:56
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...
15 03 2026 11:41:40
Активная борьба с допингами началась после Олимпиады в 1960 году в Риме, погиб Енсен датский велогонщик, применивший прямо на дистанции велогонки амфетамин...
14 03 2026 8:22:19
Раздел статьи:
Теория и методика физической культуры
...
13 03 2026 3:32:53
>1. Интернационализация образования, которая включает компьютеризацию, использование глобальных компьютерных сетей, гуманизация и гуманитаризация образования (например, интернет, дистантное обучение).2. Фундаментализация образования, т.е. получаемые знания должны быть фундаментом (базой) для любого вида деятельности; это развитие способности к структурированию материала, умению выделять главное, основные идеи.3. Непрерывность образования означает то, что образование должно быть элементом повседневной жизни. Цель непрерывности образования – развитие личности на протяжении всей жизни (например, дополнительное образование для детей, взрослых).
...
12 03 2026 18:18:54
В текущем контроле оцениваются срочный и отставленный тренировочные эффекты (СТЭ и ОТЭ)...
11 03 2026 16:46:24
У всех локомоторных движений общая двигательная задача – усилиями мышц передвигать тело человека относительно опоры или среды...
09 03 2026 3:36:52
Педагогический контроль осуществляется тренером, преподавателем...
07 03 2026 22:18:30
Одним из важнейших условий совершенствования рациональной техники является взаимосвязь структуры движений и уровня развития физических качеств...
06 03 2026 9:59:23
Начальную активацию системы комплемента вызывают комплексы антиген- антитело и бактериальные агенты...
05 03 2026 23:44:55
Правила соревнований определяют состав судейской коллегии и должностные обязанности ее члeнов во время проведения соревнований...
04 03 2026 21:50:16
);• виды деятельности (игра, труд, общение, общественная работы, учение (познание), физические упражнения и спорт);• предметы, вещи (игрушки, компьютер);• произведения и явления духовной и материальной культуры (искусство – литература, музыка и т...
03 03 2026 17:59:49
Эти два направления могут играть роль как собственно средств восстановления, так и средств стимулирования работоспособности...
02 03 2026 17:40:20
Сила трения – это диссипирующая сила, работа против которой требует необходимых затрат энергии со стороны спортсмена, уменьшая тем самым энергозатраты на полезный результат движения...
01 03 2026 14:48:48
Микроцикловой план представляет собой план-график, в котором более детально и подробно планируются физические упражнения, направленность и величина нагрузок каждого занятия...
28 02 2026 12:44:49
Они наиболее часто используются в лаконичной форме, особенно в процессе подготовки квалифицированных спортсменов, чему способствует специальная терминология, сочетание словесных методов с наглядными...
27 02 2026 9:13:47
Целесообразный объём нагрузки (продолжительность отдельных упражнений, число повторений) определяется возможностью повторить действие без ухудшения качества движений...
26 02 2026 14:13:48
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...
25 02 2026 3:52:38
Кора состоит из 3-х слоев:Клубочковая (наружная) зона, секретирующая гормоны минералокортикоиды ( альдостерон);Пучковая (средняя) зона, секретирующая глюкокортикоиды (кортизол, гидрокортизол);Сетчатая (внутренняя) зона, секретирующая небольшое количество пoлoвых гормонов (андрогенов, эстрогенов)...
24 02 2026 4:49:31
> Простые:• словесные, учебники, учебные пособия, дидактический и раздаточный материал;• простые визуальные средства: предметы, чучела, образцы минералов, части машин, модели;• графические средства: картины, схемы, карты. Сложные:• механические визуальные приборы: диаскоп, микроскоп, кодоскоп;• аудиальные средства: проигрыватель, магнитофон, радио;• аудиовизуальные средства: звуковой фильм, Т В, видео;• средства автоматизирующие процесс обучения: лингвистические кабинеты, компьютерные классы, телекоммуникационные сети;• реальные объекты: производство, сооружения.
...
22 02 2026 13:59:30
• 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)...
21 02 2026 20:27:48
Под самоорганизующейся системой понимают систему, обладающую способностью улучшать свою организацию, то есть совокупность связей между большим числом структурных элементов, определяющих функционирование системы в целом...
20 02 2026 13:24:19
Центростремительной силой называется проекция равнодействующей силы на тот радиус окружности, на котором в данный момент находится тело...
17 02 2026 8:28:41
• По месту учебы: школьные (уроки, учебные занятия, работа на пришкольном участке, в лаборатории) и внешкольные (домашняя самостоятельная работа, экскурсии)...
15 02 2026 15:16:58
> Перестроение.
...
>
...
Ионизирующее излучение образуется в процессе самопроизвольного превращения неустойчивых изотопов одних химических элементов в другие...
11 02 2026 18:31:18
В результате этих процессов от субстрата (как правило, это углевод) остаются углекислый газ и вода, например:С6 Н12 О6 +6О26СО2+6Н2О +энергия...
10 02 2026 4:44:48
> Выдыхаемый воздух состоит из смеси альвеолярного и воздуха вредного пространства, по составу мало отличающегося от атмосферного.
...
08 02 2026 8:42:11
Глюкагон вызывает расщепление гликогена в печени и выход в кровь глюкозы, а также стимулирует расщепление жиров в печени и жировой ткани...
06 02 2026 22:30:49
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
05 02 2026 17:57:17
Имеет место смешение понятий «культура здоровья», «культура здорового образа жизни», «валеологическая культура»...
04 02 2026 4:23:52
Эффективности процесса обучения двигательным действиям способствует разработка инструкции, передаваемой обучаемым в письменном виде с указанием не только двигательных задач и способов их решения, но и типичных ошибок, способов их предупреждения и исправления...
03 02 2026 2:30:11
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 
Физическое воспитание в России