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
Спортивные результаты измеряются в мин...
16 01 2026 9:59:11
При изучении величин, которые хаpaктеризуются не только величиной, но и направлением (например, скорость, ускорение, сила и т...
14 01 2026 23:37:24
В свою очередь расщепление энергосубстратов возможно только после их предварительного синтеза организмом...
12 01 2026 23:10:56
Физкультурно-спортивные организации и образовательные учреждения, осуществляющие подготовку спортсменов
1...
11 01 2026 5:57:41
«Лыжня России» — это такой спортивный праздник, в котором принимают участие – любители лыжных гонок, начинающие молодые спортсмены, и спортсмены с большим спортивным стажем...
10 01 2026 16:44:21
В этом возрасте замедляется рост тела в длину и увеличение его размеров в ширину, а также прирост в массе...
09 01 2026 21:35:31
Под компетенцией понимается способность (готовность) субъекта к продуктивной, самостоятельной деятельности в конкретных ситуациях в рамках определенных полномочий...
08 01 2026 10:55:28
Влияние массажа на различные системы организма
Влияние массажа на нервную систему
Влияние массажа на общий обмен веществ
Список литературы1...
07 01 2026 15:12:41
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
06 01 2026 15:52:54
Как правило, учебный план делится на два основных раздела: теоретический и пpaктический...
05 01 2026 22:10:45
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...
04 01 2026 12:46:22
Располагается сердце между легкими, в средостении...
03 01 2026 12:22:44
2...
02 01 2026 19:16:38
Конфликты могут быть конструктивные, направленные на развитие коллектива и улучшение качества работы, и деструктивные, направленные на удовлетворение только личных амбиций, притязаний, самоутверждение за счет других...
31 12 2025 17:53:35
Интенсивность нагрузки (качественная сторона нагрузки) определяется скоростью преодоления дистанции, величиной преодолеваемого отягощения или сопротивления, темпом движений, плотностью выполнения упражнений в занятии...
30 12 2025 7:19:34
На этом этапе многолетней подготовки определяется спортивная ориентация спортсменов в зависимости от их врождённых способностей (генетических факторов)...
29 12 2025 1:23:57
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Сенсорные системы»
...
28 12 2025 2:27:30
Прострaнcтвенно техника физических упражнений хаpaктеризуется рациональным взаиморасположением звеньев двигательного аппарата человека, обеспечивающим: целесообразное исходное положение перед началом движений, оперативную позу в процессе его выполнения и соблюдение оптимальной траектории движений...
26 12 2025 20:10:14
д...
25 12 2025 9:55:21
> 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
...
24 12 2025 4:54:20
Эффективности процесса обучения двигательным действиям способствует разработка инструкции, передаваемой обучаемым в письменном виде с указанием не только двигательных задач и способов их решения, но и типичных ошибок, способов их предупреждения и исправления...
23 12 2025 9:51:57
При этом образуются примордиальные фолликулы, располагающиеся в глубоких слоях коркового вещества яичника...
21 12 2025 5:30:44
> Важной характеристикой профессионально-педагогического общения является стиль. Стиль – это индивидуально-типологические особенности взаимодействия педагога и учащихся. Он учитывает особенности коммуникативных возможностей учителя, уровень взаимоотношений педагога и воспитанников, творческую индивидуальность педагога, особенности ученического коллектива. Стиль общения педагога с детьми – это категория социальная и нравственная. В педагогической литературе выделяют следующие стили общения: Общение на основе увлеченности совместной деятельность. Этот тип общения складывается на основе высоких профессионально-этических установок педагога, это общая творческая деятельность воспитанников вместе с воспитателями и под их руководством. Общение на основе дружеского расположения. Продуктивный стиль педагогического общения. Вместе с увлеченностью совместным делом может иметь и деловую направленность. Но нельзя превращать ее в панибратские отношения с учащимися. Общение – диалог предполагает сотрудничество педагога и воспитанников на основе взаимного уважения. Общение – дистанцирование. Распространенный стиль общения, который ведет к формализации системы социально-психологического взаимодействия учителя и учеников и не способствует созданию атмосферы творчества. Дистанция должна существовать, но она диктуется логикой учебного процесса в системе отношений ученик-педагог. Общение – устрашение. Негативная форма общения. К ней прибегают учителя, не умеющие организовать продуктивную совместную деятельность с учениками. Такое общение разрушает творческую деятельность. Общение – заигрывание в работе с детьми играет отрицательную роль. Стиль общения отвечает стремлению завоевать ложный дешевый авторитет у детей, что противоречит требованиям педагогической этики. Правильный стиль общения создает атмосферу эмоционального благополучия, которая во многом определяет результативность учебно-воспитательной деятельности. Верно найденный стиль общения, соответствующий индивидуальности педагога, способствует решению многих задач. Стили педагогического руководства: Авторитарный стиль. Педагог единолично определяет деятельность группы, пресекает всякую инициативу. Основные формы взаимодействия: приказ, указание, инструкция, выговор, наказание. Преобладает начальственный тон. Демократический стиль. Проявляется в опоре педагога на мнение коллектива. Учитель подключает каждого к участию в обсуждении хода работы. Развивается самоуправление. Основные способы общения: просьба, совет, информация. Либеральный стиль (анархический, попустительский). Учитель старается не вмешиваться в жизнь коллектива, не проявляет активности, легко подчиняется, устраняется от ответственности, неавторитетен. В общении с учащимися, родителями, с коллегами, администрацией учитель занимает определенные коммуникативные позиции. А-позиция – «над». Учитель выступает активным субъектом общения, он проявляет инициативу, управляет, контролирует, планирует, реализует свои цели. Б-позиция – «наравне». Происходит общение двух равных партнеров, оба проявляют инициативу, стараются учитывать интересы друг друга. В-позиция – «под». Учитель занимает подчиненное положение по отношению к партнеру по общению. Для успешного выполнения педагогической деятельности учитель должен уметь занимать эффективную коммуникативную позицию.
...
20 12 2025 8:29:16
65
3
Показатели ЭКГ
0...
19 12 2025 21:19:51
Общественные цели – цели различных слоев населения, отражающие потребности, интересы и запросы по профессиональной подготовке...
18 12 2025 19:18:34
В подготовительной части: разминка, вpaбатывание – выход на необходимую функциональную активность систем и органов спортсмена...
17 12 2025 1:23:28
> Динамические характеристики
Основные понятия и законы динамики
Динамика вращательного движения материальной точки и твёрдого тела
Центр масс тела. Равновесие. Масса тела
Виды сил в природе
Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения. Вес тела.
Силы упругости
Силы трения покоя и скольжения
Сила сопротивления при движении в воде или атмосферном воздухе
...
16 12 2025 16:53:14
Это объясняется тем, что росту тренированности юных спортсменов в достаточной мере способствуют микроциклы, в которых преимущественно используются занятия со средними и значительными нагрузками...
15 12 2025 1:57:51
Неусвояемые – балластные, пищевые волокна, играют огромную роль в поддержании нормальной регуляции пищеварения...
14 12 2025 13:32:31
Для определения общей плотности урока или его частей суммируются показатели времени активной деятельности на уроке (Tад)...
12 12 2025 9:15:44
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Пищеварение»
...
11 12 2025 2:40:22
Это специально отобранная и признанная обществом (государством) система элементарного объективного опыта человечества, усвоение которой необходимо для успешной деятельности в определенной сфере...
10 12 2025 5:53:12
Они наиболее часто используются в лаконичной форме, особенно в процессе подготовки квалифицированных спортсменов, чему способствует специальная терминология, сочетание словесных методов с наглядными...
08 12 2025 0:13:22
Занятия этого типа особенно широко применяются в тренировке юных спортсменов, на ранних этапах многолетней подготовки, когда решается большое число задач, связанных с обучением...
06 12 2025 2:45:33
К проводящей системе сердца относятся: синусовый узел, предсердно-желудочковый узел, пучок Гисса, ножки пучка Гисса, волокна Пуркинье...
05 12 2025 14:33:10
В условиях максимальной нагрузки ЧД возрастает до 40-60 в 1 минуту...
04 12 2025 22:30:17
Основные физические способности и функциональные возможности можно эффективно повысить именно в этом возрасте...
03 12 2025 7:45:35
Физиологические механизмы развития двигательных навыков...
02 12 2025 21:23:18
Сила действия человека может быть представлена в виде вектора (→) и определена указанием: 1) направления, 2) величины (скалярной), 3) точки приложения...
01 12 2025 14:32:55
> Физическое воспитание детей среднего школьного возраста
Особенности возрастного развития
Задачи физического воспитания
Средства физического воспитания
Особенности методики физического воспитания
...
30 11 2025 2:20:39
Физические нагрузки они переносят лучше при относительно меньшей частоте пульса и большем повышении кровяного давления...
28 11 2025 14:43:43
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
