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
> Мальчики при дворе сюзерена с 7 до 14 лет служили пажами при жене феодала, с 14 до 21 - оруженосцами при феодале, в 21 год – посвящались в рыцари. В основе содержания образования лежали «семь рыцарских добродетелей»: верховая езда, плавание, фехтование, охота, метание копья, шахматы, игра на музыкальном инструменте. Воспитывалось презрение к труду, в том числе умственному. Рыцари также не обязаны были овладевать грамотой.
...
26 01 2026 12:56:37
Эффективность различных упражнений во многом зависит от методических условий их выполнения...
25 01 2026 14:46:43
Примерами ударов являются:
· Удары по мячу, шайбе...
24 01 2026 11:26:21
Такие занятия пpaктически исключают опасность возникновения нарушений в деятельности сердечно-сосудистой системы...
21 01 2026 0:13:30
>1. Интернационализация образования, которая включает компьютеризацию, использование глобальных компьютерных сетей, гуманизация и гуманитаризация образования (например, интернет, дистантное обучение).2. Фундаментализация образования, т.е. получаемые знания должны быть фундаментом (базой) для любого вида деятельности; это развитие способности к структурированию материала, умению выделять главное, основные идеи.3. Непрерывность образования означает то, что образование должно быть элементом повседневной жизни. Цель непрерывности образования – развитие личности на протяжении всей жизни (например, дополнительное образование для детей, взрослых).
...
20 01 2026 2:39:54
Центростремительной силой называется проекция равнодействующей силы на тот радиус окружности, на котором в данный момент находится тело...
19 01 2026 22:59:52
10 лет Комиссия по правам человека разpaбатывали этот проект...
18 01 2026 0:53:33
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...
17 01 2026 12:51:20
> Перестроение.
...
Антигенными свойствами могут обладать макромолекулярные образования почти всех живых организмов...
13 01 2026 3:41:21
Раздел статьи:
Теория и методика физической культуры
...
12 01 2026 15:57:38
> Газообмен между легкими и окружающей средой осуществляется за счет вдоха и выдоха. При вдохе объем легких увеличивается, давление в них становится ниже атмосферного, и воздух поступает в дыхательные пути. Этот процесс носит активный характер и обусловлен сокращением наружных межреберных мышц и опусканием (сокращением) диафрагмы, в результате чего объем легких возрастает на 250-300 мл. Во время выдоха объем грудной клетки уменьшается, воздух в легких сжимается. Давление в них становится выше атмосферного, и воздух выходит наружу. Выдох в спокойном состоянии осуществляется пассивно за счет тяжести грудной клетки и расслабления диафрагмы. Форсированный выдох происходит вследствие сокращения внутренних межреберных мышц, частично – за счет мышц плечевого пояса и брюшного пресса. Важное значение для осуществления вдоха и выдоха имеет герметически замкнутая плевральная полость (щель), образованная висцеральным и париетальным листками плевры и защищенная небольшим количеством жидкости. Давление в плевральной полости ниже атмосферного, которое еще больше снижается при вдохе, способствуя поступлению воздуха в легкие. При попадании воздуха или жидкости в плевральную полость легкие спадаются за счет их эластической тяги. Дыхание становится невозможным и развивается – пневмоторакс.
...
11 01 2026 20:37:36
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...
10 01 2026 18:59:19
Павлова За открытие в этой области, обобщение новых уникальных данных по проблеме в труде «Лекции о работе пищеварительных желез» И...
09 01 2026 23:43:50
Это хаpaктеризует функциональную способность легких при предъявлении к ним повышенных требований, связанных с увеличением потрeбления кислорода...
08 01 2026 6:51:42
Спортивные результаты измеряются в мин...
07 01 2026 1:35:30
Для этого необходим комплексный подход в решении задач нравственного, эстетического, физического, умственного и трудового воспитания...
06 01 2026 14:40:27
Наружная–склера, она непрозрачная, впереди переходит в прозрачную роговицу...
04 01 2026 11:30:51
Активная борьба с допингами началась после Олимпиады в 1960 году в Риме, погиб Енсен датский велогонщик, применивший прямо на дистанции велогонки амфетамин...
02 01 2026 16:22:34
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...
01 01 2026 18:26:41
Другие соревнования могут носить отборочный или контрольный хаpaктер, решать разнообразные технико-тактические задачи, задачи приобретения соревновательного опыта...
31 12 2025 21:42:36
Ионизирующее излучение образуется в процессе самопроизвольного превращения неустойчивых изотопов одних химических элементов в другие...
29 12 2025 6:31:42
Выполнение упражнения означает переход на тот или иной уровень его функциональной активности...
28 12 2025 4:50:42
> 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)
...
27 12 2025 20:36:33
Цели ФВ: 1) физическое совершенствование; 2) здоровье; 3) формирование привычек здорового образа жизни...
26 12 2025 21:22:43
Тем самым мышца, укорачиваясь, производит движение в суставе...
25 12 2025 20:49:36
Антигеннезависимый период заканчивается образованием антигенреактивных Т-лимфоцитов...
24 12 2025 4:55:11
Большое разнообразие упражнений, отнесенных к основной гимнастике, позволяет успешно решать образовательные, оздоровительные и воспитательные задачи...
23 12 2025 11:26:41
К проприорецепторам относятся мышечные веретена, сухожильные органы Гольджи и суставные рецепторы...
22 12 2025 1:18:14
Поэтому пища здесь не задерживается и, основные процессы пищеварения происходят в нижележащих отделах кишечника...
21 12 2025 11:55:49
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...
20 12 2025 4:51:25
Известен педагогический тpaктат- «Поучения князя Владимира Мономаха детям» (12 век)...
17 12 2025 20:43:18
Формирование необходимого основного фонда двигательных умений и навыков из отдельных видов спорта, освоение спортивной техники избранного вида спорта...
16 12 2025 19:58:10
Шире используются игровой и соревновательные методы...
15 12 2025 13:52:47
>
...
Как правило, учебный план делится на два основных раздела: теоретический и пpaктический...
13 12 2025 22:10:52
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Дидактика
...
12 12 2025 5:43:32
Непосредственный показ (демонстрация) движений преподавателем или одним из занимающихся всегда должен сочетаться с методами использования слова, что позволяет исключить слепое, механическое подражание...
11 12 2025 7:22:44
Головка содержит ядро, впереди которого расположена структура, получившая название акросома...
09 12 2025 17:55:48
Структурной единицей печени является долька - крошечный участок паренхимы шестигранной формы, состоящий из гепатоцитарных балок и синусоидов- специфических внутридольковых капилляров, впадающих в центральную вену дольки...
08 12 2025 10:53:34
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 
Формы обучения 
Иммуноглобулины 
Гипотония и армия
Выносливость. Утомление и его биомеханические проявления