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
Система знаний по теории и методике физического воспитания включает ряд частных разделов, отражающих её отдельные стороны...
21 05 2026 14:10:20
Все показатели здоровья взаимосвязаны взаимообусловлены...
19 05 2026 1:12:34
Это объясняется тем, что росту тренированности юных спортсменов в достаточной мере способствуют микроциклы, в которых преимущественно используются занятия со средними и значительными нагрузками...
18 05 2026 19:18:43
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
17 05 2026 16:50:14
• 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)...
16 05 2026 23:44:48
Леонардо особенно интересовался строением человеческого тела (анатомией) в связи с движением...
15 05 2026 3:22:57
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
14 05 2026 16:28:51
Цели ФВ: 1) физическое совершенствование; 2) здоровье; 3) формирование привычек здорового образа жизни...
13 05 2026 4:35:11
Питание – сложный процесс поступления, переваривания, всасывания и усвоения в организме пищевых веществ, необходимых для покрытия его энергетических трат, построения и возобновления клеток и тканей организма, регуляции физиологических функций организма...
12 05 2026 4:52:41
Каналы и полости височной кости образуют костный лабиринт вестибулярного аппарата и частично перепончатый лабиринт...
11 05 2026 22:41:37
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
10 05 2026 5:23:15
>« Большая медицинская энциклопедия» 1962г.: « Печень - самая крупная железа в организме человека и животных, характеризующаяся чрезвычайно сложной функцией, являясь одновременно органом пищеварения, кровообращения и обмена веществ».
Резюме по теме « Печень»
Морфология печени
Макропроцессы в печеночной дольке
« Чудесная сеть» печени
Современные подходы к строению печени
Желчеобразующая и желчевыделительная функция печени
Белковый обмен и печень
Углеводный обмен и печень
Жировой обмен и печень
Пигментный обмен и печень
Обмен витаминов и печень
Ферментный обмен и печень
Обмен гормонов и печень
Функции печени
Пути эвакуации желчи
Глоссарий по теме « Печень»
Литература по теме « Печень»
...
09 05 2026 4:48:48
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Воспитание
...
Центростремительной силой называется проекция равнодействующей силы на тот радиус окружности, на котором в данный момент находится тело...
06 05 2026 10:41:21
Оздоровительное значение физических упражнений особенно важно при гипокинезии, сердечно-сосудистых заболеваниях и т...
05 05 2026 5:46:25
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...
04 05 2026 12:43:17
Если доступна большая амплитуда движений, значит мышцы-антагонисты легко растягиваются и оказывают меньшее сопротивление мышцам агонистам, сокращение которых обеспечивает выполнение упражнения...
03 05 2026 6:57:54
Как родниковая вода, кровь для питания печеночных клеток, по другим- кровь совсем не первой свежести, несущая от кишечника, желудка, и селезенки...
02 05 2026 18:37:58
После измельчения и перетирания зубами пища подвергается химической обработке благодаря действию гидролитических ферментов слюны...
01 05 2026 5:41:14
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Дидактика
...
30 04 2026 7:45:19
Следовательно, при выполнении работы энергия в системе уменьшается...
29 04 2026 7:33:39
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Пищеварение»
...
28 04 2026 12:34:17
Реализация возможностей текущего управления осуществляется двумя путями...
27 04 2026 2:59:27
В последней стадии беременности перед родами в материнском организме наблюдается преобладание тормозных процессов в высших отделах мозга и повышение возбудимости спинного мозга, что приводит к снижению порога рефлекторной и мышечной возбудимости матки...
26 04 2026 3:37:30
Непосредственный показ (демонстрация) движений преподавателем или одним из занимающихся всегда должен сочетаться с методами использования слова, что позволяет исключить слепое, механическое подражание...
24 04 2026 16:53:50
> Мальчики при дворе сюзерена с 7 до 14 лет служили пажами при жене феодала, с 14 до 21 - оруженосцами при феодале, в 21 год – посвящались в рыцари. В основе содержания образования лежали «семь рыцарских добродетелей»: верховая езда, плавание, фехтование, охота, метание копья, шахматы, игра на музыкальном инструменте. Воспитывалось презрение к труду, в том числе умственному. Рыцари также не обязаны были овладевать грамотой.
...
23 04 2026 17:55:20
Наследственность - это то, что передается от родителей детям, наследственность представлена генетической программой, которая развертывается в течение жизни и является природной предпосылкой развития...
22 04 2026 23:11:10
Теория и методика избранного вида спорта 2 | ...
21 04 2026 1:59:57
Физические нагрузки они переносят лучше при относительно меньшей частоте пульса и большем повышении кровяного давления...
20 04 2026 3:57:18
Для этого необходим комплексный подход в решении задач нравственного, эстетического, физического, умственного и трудового воспитания...
19 04 2026 21:32:13
Наружная–склера, она непрозрачная, впереди переходит в прозрачную роговицу...
18 04 2026 1:45:19
Внешние мотивы могут быть разделены на положительные и отрицательные...
17 04 2026 10:54:21
Философия является фундаментом педагогики...
16 04 2026 14:30:29
Классификация средств обучения
Простые:• словесные, учебники, учебные пособия, дидактический и раздаточный материал;• простые визуальные средства: предметы, чучела, образцы минералов, части машин, модели;• графические средства: картины, схемы, карты...
15 04 2026 3:51:14
Влияние массажа на различные системы организма
Влияние массажа на нервную систему
Влияние массажа на общий обмен веществ
Список литературы1...
14 04 2026 18:27:24
Систола предсердий, когда желудочки расслаблены и заполняются кровью...
13 04 2026 12:50:30
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%...
12 04 2026 15:23:48
> 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
...
11 04 2026 11:43:57
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...
09 04 2026 3:20:39
2...
08 04 2026 8:15:55
В том месте, где на кривой Хилла скорость стремится к максимуму, сила стремится к нулю...
07 04 2026 12:49:49
В плазмоцитах происходит синтез антител-иммуноглобулинов...
05 04 2026 20:43:18
Педагогический контроль осуществляется тренером, преподавателем...
04 04 2026 12:45:32
Поэтому пища здесь не задерживается и, основные процессы пищеварения происходят в нижележащих отделах кишечника...
02 04 2026 2:55:36
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
