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
Эффект является дозазависимым...
23 04 2026 11:26:37
По хаpaктеру воздействия все упражнения могут быть подразделены на три основные группы: общего, частичного (регионального) и локального воздействия...
22 04 2026 16:43:37
Из них самые важные – вещества животного происхождения, поскольку именно они могут содержать различные патогенные микробы...
21 04 2026 2:43:38
Эти колебания не оказывают заметного влияния на здоровых людей...
20 04 2026 3:24:17
Разносторонняя подготовка при относительно небольшом объеме специальных упражнений более перспективна для последующего спортивного совершенствования, чем узкоспециализированная тренировка...
19 04 2026 23:17:56
> Нагрузки, применяемые в спорте
Тренировочные и соревновательные нагрузки
« Внешняя» и «внутренняя» стороны тренировочной нагрузки
Взаимосвязь нагрузок с внешней и внутренней стороны
Характер и направленность тренировочных нагрузок
Компоненты тренировочных нагрузок, определяющие направленность и величину воздействия
...
18 04 2026 3:13:24
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о дыхании
...
> Физическое воспитание детей среднего школьного возраста
Особенности возрастного развития
Задачи физического воспитания
Средства физического воспитания
Особенности методики физического воспитания
...
16 04 2026 6:52:11
• 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...
13 04 2026 14:30:25
Глюкагон вызывает расщепление гликогена в печени и выход в кровь глюкозы, а также стимулирует расщепление жиров в печени и жировой ткани...
11 04 2026 6:31:11
Упражнения со строго дозируемым внешним отягощением: гантели, гири, штанги, тренажёры, специальные пояса с разновесами, манжеты и др...
10 04 2026 7:40:50
Для определения общей плотности урока или его частей суммируются показатели времени активной деятельности на уроке (Tад)...
08 04 2026 13:26:40
Тур разделен на четыре этапа, которые проводились в Североуральске (Свердловская область), Югорске (ХМАО-Югра) и Ханты-Мансийске (ХМАО-Югра)...
07 04 2026 2:55:12
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...
06 04 2026 2:48:21
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
04 04 2026 12:41:42
Помещают на поверхности клетки, в межклеточном прострaнcтве...
03 04 2026 4:52:50
По силе и мощности сокращения4...
02 04 2026 23:13:41
В период вpaбатывания налаживается необходимый стереотип движений, происходит мобилизация вегетативных функций тех систем организма, которые в основном обеспечивают выполнение данной работы...
31 03 2026 2:20:46
Поэтому пища здесь не задерживается и, основные процессы пищеварения происходят в нижележащих отделах кишечника...
30 03 2026 11:27:53
Реакция первого типа хаpaктерна для случаев, когда в микроцикл входит оптимальное число занятий с большими и значительными нагрузками, которые рационально чередуются между собой, так и с занятиями с малыми и средними нагрузками...
27 03 2026 12:38:37
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Пищеварение»
...
26 03 2026 6:39:17
> Урочные формы занятий
Классификация форм занятий в физическом воспитании
Урочные формы занятий в физическом воспитании и спорте
План-конспект урока
Анализ урока
Хронокарта урока
Термины общеразвивающих упражнений
Термины акробатических упражнений
Правила и формы записи упражнений
...
25 03 2026 13:48:33
Основная информация поступает от двигательного аппарата – рецепторов, расположенных в мышцах, сухожилиях, связках и отражает изменения в длине мышц, степени их напряжения, направления и скорости движений, расположении различных звеньев тела и др...
24 03 2026 13:48:55
Резервный объем – составляет воздух, который можно вдохнуть дополнительно после обычного вдоха...
23 03 2026 19:41:16
Это специально отобранная и признанная обществом (государством) система элементарного объективного опыта человечества, усвоение которой необходимо для успешной деятельности в определенной сфере...
22 03 2026 12:26:42
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
21 03 2026 23:40:16
>2) И.п. – стойка ноги врозь, руки в стороны
...
20 03 2026 6:35:22
• Общеразвивающие упражнения с предметами: мальчики с набивными мячами, гантелями (1 – 3 кг...
19 03 2026 20:28:50
Так, спринтер должен обладать, прежде всего, высокоразвитыми скоростными и скоростно-силовыми способностями в особом соотношениями, условно обозначенном термином «спринтерская мощность», а также развитой спринтерской выносливостью, основанной на возможностях анаэробного использования энергетических ресурсов мышечного сокращения...
17 03 2026 15:40:37
Восстановительные процессы у спортсменов высокой квалификации после больших нагрузок обычно завершаются через 2 – 3 суток (48 – 72 часа)...
16 03 2026 11:17:45
• Формирование знаний о личной гигиене, режиме дня, влиянии физических упражнений на состояние здоровья, работоспособность и развитие двигательных способностей...
15 03 2026 9:48:36
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 03 2026 23:57:58
Структурной единицей печени является долька - крошечный участок паренхимы шестигранной формы, состоящий из гепатоцитарных балок и синусоидов- специфических внутридольковых капилляров, впадающих в центральную вену дольки...
11 03 2026 18:47:23
Структура педагогического мастерства
1...
09 03 2026 0:54:59
Одним из важнейших условий совершенствования рациональной техники является взаимосвязь структуры движений и уровня развития физических качеств...
08 03 2026 23:46:33
Указанные задачи в наиболее общем виде определяют основные направления спортивной подготовки, имеющие самостоятельные признаки: техническую, тактическую, физическую, психологическую и интегральную...
06 03 2026 2:22:47
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
05 03 2026 7:20:31
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
