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
Профессиональная ориентация – это процесс ознакомления учащегося с различными профессиями и оказания им помощи в выборе профессии в соответствии со склонностями и способностями...
25 03 2026 3:33:55
Силы сопротивления очень зависят от формы тела и возрастают при увеличении скорости его движения относительно среды...
23 03 2026 4:18:42
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...
22 03 2026 5:37:48
Можно говорить о системе методов педагогических исследований...
21 03 2026 22:55:53
Технические приёмы и действия в современном спорте исключительно многообразны, объём их постоянно обогащается...
20 03 2026 19:24:35
Реализация возможностей текущего управления осуществляется двумя путями...
19 03 2026 21:16:28
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...
18 03 2026 0:57:21
>1. Дидактические: С. доступно, ясно, интересно передавать материал, повышать активность, самостоятельность.2. Академические: С. к учебному предмету, стремление к глубокому познанию предмета и достижений в этой области.3. Перцептивные: С. стремление проникнуть во внутренний мир ученика, понимание его личности и состояния.4. Речевые: С. ясно выражать свои мысли и чувства с помощью вербальных и невербальных средств общения.5. Организаторские: С. организовать учеников, собственную деятельность, сформировать коллектив, воодушевить на решение задач.6. Авторитарные: С. эмоционально-волевым влиянием добиваться авторитета.7. Коммуникативные: С. к общению с учениками, коллегами, родителями; умение найти подход, наладить контакты.8. Педагогическое воображение: С. предвидеть последствия педагогической деятельности, прогнозировать, предугадывать, что может «получиться» из учеников.9. Аттенционные: С. распределить внимание между несколькими видами деятельности (учителю необходимо следить за изложением учебного материала, «видеть» учеников, их поведение, реакцию, признаки утомления, следить за дисциплиной, за собственным поведением.10. Двигательные: С. правильно выполнять и показывать физические упражнения, выполнять страховку.
...
17 03 2026 11:57:15
Эти же процессы лежат в основе аллергических заболеваний...
16 03 2026 15:57:45
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
15 03 2026 1:35:31
Они наиболее часто используются в лаконичной форме, особенно в процессе подготовки квалифицированных спортсменов, чему способствует специальная терминология, сочетание словесных методов с наглядными...
14 03 2026 20:57:28
Семейное воспитание – это система воспитания и образования, складывающаяся в условиях конкретной семьи силами родителей и родственников...
13 03 2026 23:51:14
Состав скоростно-силовых упражнений широк и разнообразен...
12 03 2026 5:52:26
Для этого необходим комплексный подход в решении задач нравственного, эстетического, физического, умственного и трудового воспитания...
11 03 2026 20:13:43
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
Эти два направления могут играть роль как собственно средств восстановления, так и средств стимулирования работоспособности...
07 03 2026 4:10:16
В качестве важнейшей операции в цикле этапного управления выделяют разработку моделей соревновательной деятельности и подготовленности, которые должны быть использованы в качестве ориентира на данном спортивного совершенствования...
05 03 2026 15:20:13
Термин рекреация означает отдых, восстановление сил человека, израсходованных в процессе труда, тренировочных занятий или соревнований...
04 03 2026 17:57:44
Светлые клетки, образующие наружный слой, играют роль в питании зародыша и носят название трофэктодермы...
03 03 2026 14:35:41
> Перестроение.
...
Тем самым мышца, укорачиваясь, производит движение в суставе...
01 03 2026 7:26:24
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
27 02 2026 2:18:24
>
...
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%...
25 02 2026 6:11:16
Другие соревнования могут носить отборочный или контрольный хаpaктер, решать разнообразные технико-тактические задачи, задачи приобретения соревновательного опыта...
23 02 2026 0:48:59
Собственно-силовые способности – хаpaктеризуются тем, что основную роль в их проявлении играет активация процессов максимального и околомаксимального мышечного напряжения...
22 02 2026 12:44:29
> Перестроение.
...
Игровой метод в физическом воспитании хаpaктеризуют следующие особенности:
• Игровой метод обеспечивает всестороннее, комплексное развитие физических качеств и совершенствование двигательных умений и навыков, так как в процессе игры они проявляются не изолированно, а в тесном взаимодействии...
20 02 2026 7:31:23
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...
19 02 2026 2:17:46
Располагается сердце между легкими, в средостении...
18 02 2026 12:24:44
К проприорецепторам относятся мышечные веретена, сухожильные органы Гольджи и суставные рецепторы...
17 02 2026 13:40:10
Такая мышца не может считаться вполне здоровой...
16 02 2026 22:11:25
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
>1. Традиционная классификация.
словесный
наглядный
практический
работа с книгой
видеометод
Объяснение Разъяснение Рассказ Беседа Инструктаж Лекция Дискуссиядиспут
Иллюстрация Демонстрация Наблюденияуч-ся
Опыт Упражнение Учебнопроизводительный труд
Чтение Изучение Реферирование Беглый просмотр Цитирование Изложение Составление плана Конспектирование
Просмотр Обучение Упражнение под контролем компьютера Контроль
...
14 02 2026 1:13:11
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
13 02 2026 10:40:33
Прозрачность должна быть не менее 30см, а воды плавательных бассейнов -20 см...
11 02 2026 8:21:21
• По месту учебы: школьные (уроки, учебные занятия, работа на пришкольном участке, в лаборатории) и внешкольные (домашняя самостоятельная работа, экскурсии)...
10 02 2026 3:39:39
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...
07 02 2026 11:46:52
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...
06 02 2026 19:41:19
Первая зона интенсивности...
05 02 2026 4:18:10
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
04 02 2026 4:23:36
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