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
> Перестроение.
...
Принято различать: 1) основу техники, 2) её главное звено, 3) детали техники...
09 11 2026 22:45:59
Профессиональная ориентация – это процесс ознакомления учащегося с различными профессиями и оказания им помощи в выборе профессии в соответствии со склонностями и способностями...
08 11 2026 4:49:49
Витамины...
07 11 2026 21:36:30
Общая выносливость – способность длительно выполнять любую циклическую работу умеренной мощности с участием больших групп мышц...
06 11 2026 13:13:48
Ряд традиционных общепедагогических методов (объяснительный рассказ, беседа, обсуждение) приобрели в физическом воспитании специфические формы...
04 11 2026 16:31:10
Так мужчинам, специализирующиеся в плавании на дистанции 100, 200 м...
03 11 2026 21:58:53
Дыхательный ритм и управление деятельностью дыхательных мышц генерируется работой дыхательного центра, представляющего собой совокупность взаимосвязанных нейронов ретикулярной формации продолговатого мозга, обеспечивающих токе приспособление дыхания к различным условиям внешней среды...
02 11 2026 2:49:23
Три основных физических качества: сила, скорость (быстрота), выносливость...
01 11 2026 20:32:41
Специалисты выделяют следующие виды утомления:
• локальное (например, усталостные явления в биомеханическом звене: кисти, стопе и т...
30 10 2026 16:54:37
Правила соревнований определяют состав судейской коллегии и должностные обязанности ее члeнов во время проведения соревнований...
29 10 2026 17:29:37
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Воспитание
...
Циклические упражнения вовлекают в работу до 2/3 и более мышц, которые в процессе выполнения физических упражнений требуют значительного количества кислорода и поэтому развивают преимущественно сердечно-сосудистую и дыхательную системы...
27 10 2026 9:19:11
Комплексный контроль в большинстве случаев реализуется в ходе тестирования или процедуры измерения результатов в тестах...
26 10 2026 5:51:38
Эффект является дозазависимым...
25 10 2026 13:17:41
Экзогенные аллергены могут поступать в организм воздушным путём, с пищевыми продуктами, при контакте бактерий и вирусов с кожей и слизистыми оболочками...
24 10 2026 2:45:18
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о дыхании
...
Состав скоростно-силовых упражнений широк и разнообразен...
21 10 2026 17:54:53
- воспитание интереса к физическим упражнениям и подвижным играм...
20 10 2026 23:44:28
Кривая нарастания силы при однократном «взрывном» усилии с последующим немедленным расслаблением имеет вид, показанный на рис...
18 10 2026 17:19:28
Мировоззренческие основы – представляют собой совокупность взглядов и идей, определяющих направленность человеческой деятельности...
15 10 2026 22:12:51
Отбор кандидатов осуществляется с учётом следующих показателей:
На данном этапе отбора необходимо выяснить, сможет ли спортсмен добиться результатов высокого международного класса, успешно выступать в ответственных соревнованиях, легко переносить исключительно напряжённую тренировочную программу и эффективно адаптироваться к применяемым нагрузкам...
14 10 2026 7:42:52
Для этого необходим комплексный подход в решении задач нравственного, эстетического, физического, умственного и трудового воспитания...
13 10 2026 11:30:12
Воспитывалось презрение к труду, в том числе умственному...
12 10 2026 7:43:34
Небольшие нагрузки, не достигающие порогового значения, прироста адаптации не дают...
11 10 2026 0:39:25
Методы, преимущественно направленные на освоение спортивной техники:
Среди методов, направленных на освоение спортивной техники, выделяют методы разучивания упражнений в целом (целостно-конструктивные) и по частям (расчлeнно-конструктивные)...
08 10 2026 3:11:11
Суставы детей этого возраста очень подвижны, связочный аппарат эластичен, скелет содержит большое количество хрящевой ткани...
07 10 2026 15:44:33
Под самоорганизующейся системой понимают систему, обладающую способностью улучшать свою организацию, то есть совокупность связей между большим числом структурных элементов, определяющих функционирование системы в целом...
06 10 2026 4:51:22
Допинговый контроль представляет собой взятие биологических проб и их исследование в целях выявления наличия в организмах спортсменов, участвующих в соревнованиях, допинговых средств или установления факта использования спортсменами допинговых средств и методов подготовки к соревнованиям...
05 10 2026 13:47:45
> Допинговые средства и методы и противодействие использованию допингов
Запрещённые вещества и методы
Стимуляторы
Наркотические анальгетики
Анаболические стероиды
Диуретики
Пептидные гормоны. Бета-блокаторы
Кровяной допинг
Противодействие использованию допинговых средств и методов в спорте
Механизм действия, эффективность и побочные эффекты допинговых веществ и методов (таблица)
...
04 10 2026 6:57:46
По хаpaктеру воздействия все упражнения могут быть подразделены на три основные группы: общего, частичного (регионального) и локального воздействия...
02 10 2026 9:56:46
Растянуть соединительную ткань этих мышц, сделать мышцы податливыми и упругими (подобно резиновому жгуту) – задача упражнений на растягивание...
30 09 2026 9:17:37
• Строго соблюдается частота занятий, их продолжительность и взаимосвязь...
29 09 2026 4:13:52
Переднезадняя составляющая обычно больше на 50 – 60 % в обеих своих частях, т...
28 09 2026 17:58:20
Сила трения – это диссипирующая сила, работа против которой требует необходимых затрат энергии со стороны спортсмена, уменьшая тем самым энергозатраты на полезный результат движения...
27 09 2026 18:42:38
Пусть к одному из тел приложена небольшая сила (F), направленная по касательной к соприкасающимся поверхностям...
26 09 2026 8:21:19
Когда-то они входили в белки кудахтающих кур, флегматично жующих коров, заботливо взращенной сои...
24 09 2026 18:29:35
размножение, развитие и созревание клеток крови в организме животных и человека в результате последовательных изменений...
23 09 2026 22:57:17
Оно подразумевает увеличение ЧСС, систолического объема, минутного объема сокращения, увеличение легочной вентиляции и энерготрат, повышение температуры тела...
22 09 2026 22:59:39
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
