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
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 10 2026 19:43:11
Большое разнообразие упражнений, отнесенных к основной гимнастике, позволяет успешно решать образовательные, оздоровительные и воспитательные задачи...
17 10 2026 6:18:31
Обычно выделяют три возрастные зоны:
1-я зона – зона первых больших успехов;
2-я зона – зона максимальной реализации индивидуальных возможностей;
3-я зона – зона сохранения высших спортивных достижений...
16 10 2026 23:53:43
Если доступна большая амплитуда движений, значит мышцы-антагонисты легко растягиваются и оказывают меньшее сопротивление мышцам агонистам, сокращение которых обеспечивает выполнение упражнения...
14 10 2026 8:13:19
В структуре мышечной ткани различают два типа мышечных волокон – медленно сокращающиеся (МС) и быстросокращающиеся (БС)...
13 10 2026 1:51:10
Так мужчинам, специализирующиеся в плавании на дистанции 100, 200 м...
10 10 2026 7:55:12
Структурной единицей печени является долька - крошечный участок паренхимы шестигранной формы, состоящий из гепатоцитарных балок и синусоидов- специфических внутридольковых капилляров, впадающих в центральную вену дольки...
09 10 2026 22:37:28
Для определения общей плотности урока или его частей суммируются показатели времени активной деятельности на уроке (Tад)...
08 10 2026 14:41:49
65
3
Показатели ЭКГ
0...
07 10 2026 3:39:56
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...
05 10 2026 17:55:29
Наружная–склера, она непрозрачная, впереди переходит в прозрачную роговицу...
04 10 2026 9:37:17
с четырёх-пяти шагов разбега
Бег в умеренном темпе
Баскетбол
Ловля и передача мяча
Передача мяча со сменой мест в тройке
Ведение мяча шагом и бегом (прямо)
Броски мяча после ведения по кольцу
Учебные игры 3 * 3; 4* 4 по упрощённым правилам
Игры
Эстафеты с преодолением препятствий
Эстафеты с предметами
Эстафеты с элементами баскетбола
«Перестрелка»
Контроль двигательной подготовленности
Бег 30 м...
03 10 2026 20:11:17
Основным условием положительного переноса навыка является наличие структурного сходства в главных фазах (отдельных звеньях) этих двигательных действий...
02 10 2026 10:49:16
Пролиферативная фаза совпадает с фолликулярной фазой овариального цикла и состоит в быстрой пролиферации росте клеток эндометрия, приводящих к его утолщению...
30 09 2026 11:36:39
Комплексный контроль в большинстве случаев реализуется в ходе тестирования или процедуры измерения результатов в тестах...
28 09 2026 6:35:18
2...
27 09 2026 4:11:33
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...
26 09 2026 5:58:13
Чем шире круг двигательных умений и навыков, освоенных спортсменом, тем благоприятнее предпосылки для образования новых форм двигательной деятельности и совершенствования освоенных ранее...
25 09 2026 23:25:39
Силы сопротивления очень зависят от формы тела и возрастают при увеличении скорости его движения относительно среды...
24 09 2026 17:47:27
>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
...
22 09 2026 5:44:49
style="text-align: justify;"> Метод убеждения. Убеждать, значит так воздействовать на сознание и поведение человека, чтобы у него формировались способности поиска истинности миропонимания. В процессе убеждения идеи и нормы, выработанные обществом, превращаются в личные убеждения, в систему мотивов поведения, в руководство к действию.
...
21 09 2026 6:14:54
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...
20 09 2026 11:22:34
Основные положения этого принципа раскрывает теория стресса, которую открыл Ганс Селье...
19 09 2026 6:23:26
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Воспитание
...
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
17 09 2026 6:54:45
В процессе эволюции только у позвоночных образуются различные типы иммуноглобулинов...
15 09 2026 21:48:36
Принято различать: 1) основу техники, 2) её главное звено, 3) детали техники...
14 09 2026 3:44:16
Количество всасывающихся веществ не зависит от потребностей организма (за исключением меди и железа), они пропорционально потрeблению пищи...
13 09 2026 15:51:56
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Сенсорные системы»
...
11 09 2026 5:58:20
Эти гормоны в виде коллоида находятся в щитовидной железе, поступают в кровь и лимфу...
10 09 2026 5:47:58
Одним из важнейших условий совершенствования рациональной техники является взаимосвязь структуры движений и уровня развития физических качеств...
09 09 2026 1:50:30
По хаpaктеру воздействия все упражнения могут быть подразделены на три основные группы: общего, частичного (регионального) и локального воздействия...
06 09 2026 1:41:27
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
05 09 2026 14:31:50
размножение, развитие и созревание клеток крови в организме животных и человека в результате последовательных изменений...
04 09 2026 15:40:15
Место массажа в лечебной пpaктикеМассаж у древних народов применялся как широко распространенный метод народной медицины...
02 09 2026 19:37:23
Специалисты выделяют следующие виды утомления:
• локальное (например, усталостные явления в биомеханическом звене: кисти, стопе и т...
01 09 2026 2:14:31
Гражданское воспитание ориентировано на становление у человека ответственного отношения к другим людям, семье, к согражданам и отечеству, развитие чувства ответственности за себя, за свою страну и судьбу всей планеты...
30 08 2026 19:27:53
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
