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
Как родниковая вода, кровь для питания печеночных клеток, по другим- кровь совсем не первой свежести, несущая от кишечника, желудка, и селезенки...
14 10 2026 3:35:15
Что происходит в жизни ребенка, искреннее любопытство к его детским проблемам, желание понимать и наблюдать за всеми изменениями, которые происходят в душе и сознании растущего человека...
13 10 2026 9:17:19
Сила действия человека может быть представлена в виде вектора (→) и определена указанием: 1) направления, 2) величины (скалярной), 3) точки приложения...
12 10 2026 3:56:47
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...
11 10 2026 18:35:27
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)...
09 10 2026 1:24:33
Создать условия, способствующие воспроизведению этих параметров в процессе повторения действия (путём стандартизации внешних условий, использования вспомогательных технических средств, целесообразного нормирования нагрузок и отдыха и т...
07 10 2026 8:27:12
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
06 10 2026 11:32:53
Тело человека не могло бы выполнять разнообразные двигательные функции, если бы отсутствовала опopная конструкция – костный скелет, который формируют порядка 206 костей...
05 10 2026 9:53:16
В конце 1 месяца беременности у женщин зародыш имплантирован в слизистую оболочку матки, в нем происходит возникновение зачатков органов и плодовых оболочек...
03 10 2026 12:35:35
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Пищеварение»
...
01 10 2026 2:10:42
Белки служат источником незаменимых аминокислот и так называемого неспецифического азота, необходимого для синтеза белка...
29 09 2026 15:34:59
Оно подразумевает увеличение ЧСС, систолического объема, минутного объема сокращения, увеличение легочной вентиляции и энерготрат, повышение температуры тела...
28 09 2026 1:17:28
Специалисты выделяют следующие виды утомления:
• локальное (например, усталостные явления в биомеханическом звене: кисти, стопе и т...
27 09 2026 6:47:45
Наружная–склера, она непрозрачная, впереди переходит в прозрачную роговицу...
26 09 2026 1:26:34
) Было выявлено, что вне зависимости от качества внешнего раздражителя наступают общие нейрогумopaльные изменения...
25 09 2026 1:39:14
Основные физические способности и функциональные возможности можно эффективно повысить именно в этом возрасте...
24 09 2026 3:40:24
Содержание обучения составляют в основном научные знания о мире, обучение влияет преимущественно на интеллект...
23 09 2026 11:24:27
Их выработка и активность регулируется гонадотропными гормонами гипофиза...
22 09 2026 15:33:51
Принцип целостности, упорядоченности - означает достижение единства и взаимосвязи всех компонентов педагогического процесса...
20 09 2026 8:23:59
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...
19 09 2026 3:39:19
Эффективность отбора в значительной степени связана с оценкой у спортсменов основных показателей, хаpaктеризующих уровень их специальной подготовленности и спортивного мастерства...
17 09 2026 6:57:17
К учёту предъявляют ряд требований: своевременность, объективность, точность и достоверность, полнота и наглядность...
15 09 2026 20:21:46
Реализация возможностей текущего управления осуществляется двумя путями...
14 09 2026 18:39:56
> 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)
...
13 09 2026 13:12:22
Большое разнообразие упражнений, отнесенных к основной гимнастике, позволяет успешно решать образовательные, оздоровительные и воспитательные задачи...
10 09 2026 15:34:29
Варианты построения 4-летнего олимпийского цикла
Вариант
1 – год
2 – год
3 – год
4 – год
Рекомендуется
Первый
Повышение общего объёма и объёма нагрузки повышенной интенсивности
Молодым спортсменам, готовящимся к своей первой Олимпиаде
Второй
Увеличение общего объёма и объёма нагрузки повышенной интенсивности
У Стабилизация объёма тренировочных нагрузок и объёма работы повышенной интенсивности
Молодым и опытным спортсменам
Третий
Снижение общего объёма и объёма нагрузки повышений интенсивности
Повышение общего объёма и объёма нагрузки повышенной интенсивности
Снижение общего объёма и объёма нагрузки повышенной интенсивности
Повышение общего объёма нагрузки и объёма нагрузки повышенной интенсивности
Опытным спортсменам, готовящимся к своей второй или третьей Олимпиаде
Раздел статьи:
Основы спортивной тренировки
...
09 09 2026 14:32:29
У всех локомоторных движений общая двигательная задача – усилиями мышц передвигать тело человека относительно опоры или среды...
08 09 2026 7:58:52
Парксе считал, что «основная задача этой науки заключается в том, чтобы сделать развитие человека наиболее совершенным, упадок жизни – наименее быстрым и cмepть – наиболее отдаленной»...
07 09 2026 13:39:37
Поэтому последующие занятия в микроциклах и мезоциклах могут проводиться как при повышенной или восстановившейся работоспособности, так и на фоне частичного недовосстановления...
06 09 2026 6:27:14
• Формирование знаний о личной гигиене, режиме дня, влиянии физических упражнений на состояние здоровья, работоспособность и развитие двигательных способностей...
05 09 2026 23:40:18
Центростремительной силой называется проекция равнодействующей силы на тот радиус окружности, на котором в данный момент находится тело...
02 09 2026 22:58:20
«Олимпийская квалификация»
Наиболее распространённые виды спорта включены в программу летних и зимних Олимпийских игр...
01 09 2026 12:44:26
Самый первый и элементарный уровень регуляции – внутрисердечный...
31 08 2026 15:39:33
Поэтому, чем меньше срок, на который составляется план, тем он более конкретный и детализированный...
30 08 2026 17:14:53
Основной документальной формой учёта данных физкультурного самоконтроля является регулярное ведение дневника самоконтроля (таблица ниже)...
28 08 2026 14:18:52
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
27 08 2026 20:19:45
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
