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
Влияние массажа на различные системы организма
Влияние массажа на нервную систему
Влияние массажа на общий обмен веществ
Список литературы1...
06 11 2026 15:56:14
Сила действия человека может быть представлена в виде вектора (→) и определена указанием: 1) направления, 2) величины (скалярной), 3) точки приложения...
05 11 2026 20:15:53
Термин рекреация означает отдых, восстановление сил человека, израсходованных в процессе труда, тренировочных занятий или соревнований...
04 11 2026 8:25:52
> Структура многолетней подготовки
Факторы, от которых зависит структура многолетней подготовки
Первый этап – этап начальной подготовки ~ 10 - 12 лет
Второй этап – этап предварительной базовой подготовки ~ 13 - 15 лет
Третий этап – этап специализированной базовой подготовки ~ 16 - 19 лет
Четвертый этап – этап максимальной реализации индивидуальных возможностей ~ 20-25 лет
Пятый этап – этап сохранения высших спортивных достижений ~ 26 - 30 лет
Основные направления интенсификации тренировочного процесса в многолетней подготовке
...
02 11 2026 5:41:52
Основная методологическая установка: не только не навредить, но и укрепить, улучшить, совершенствовать здоровье...
01 11 2026 4:55:18
Педагогический контроль осуществляется тренером, преподавателем...
31 10 2026 16:25:13
Ионизирующее излучение образуется в процессе самопроизвольного превращения неустойчивых изотопов одних химических элементов в другие...
30 10 2026 4:30:43
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
29 10 2026 3:22:13
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
28 10 2026 5:48:59
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
27 10 2026 16:39:20
Содержание обучения составляют в основном научные знания о мире, обучение влияет преимущественно на интеллект...
26 10 2026 10:29:22
Эффекторные импульсы, проходящие по моторным нервам, заставляют сокращаться мышечное волокно...
25 10 2026 18:35:35
Проблемы во взаимоотношениях родителей и детей возникают, если родители не обладают необходимой чуткостью и тактом; недостаточно бережно относятся к секретам детей; не поспевают за динамизмом развития детей; «фальшивят» в тоне разговора; не умеют входить в детский мир без нажима, навязывания своих взглядов, критических замечаний, без нервозности и предубеждений...
24 10 2026 13:40:11
Место массажа в лечебной пpaктикеМассаж у древних народов применялся как широко распространенный метод народной медицины...
23 10 2026 5:59:33
Быстрота зависит от скорости мышечного сокращения, мощности мобилизации химической энергии в мышечном волокне и превращении её в механическую энергию сокращения...
21 10 2026 2:52:43
Технические приёмы и действия в современном спорте исключительно многообразны, объём их постоянно обогащается...
20 10 2026 17:49:55
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Пищеварение»
...
19 10 2026 4:34:43
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
18 10 2026 10:42:44
Физкультурно-спортивные организации и образовательные учреждения, осуществляющие подготовку спортсменов
1...
15 10 2026 3:40:34
>1. Развивающее и воспитывающее обучение.2. Научность, доступность и посильная трудность (обучение на высшем уровне трудности).3. Создание оптимальных условий для обучения.4. Сознательная и творческая активность учащихся при руководящей роли преподавателя.5. Наглядность и развитие теоретического мышления.6. Системность и систематичность обучения.7. Опережающее обучение.8. Переход от обучения к самообразованию.9. Связь обучения с жизнью и практикой профессиональной деятельности.10. Прочность результатов обучения и развитие познавательных способностей учащихся.11. Положительный эмоциональный фон обучения.12. Коллективный характер обучения и учет индивидуальных способностей учащихся.13. Гуманизация и гуманитаризация обучения.14. Компьютеризация обучения.15. Интегративность обучения, учет межпредметных связей16. Инновативность обучения.
...
14 10 2026 18:33:26
В качестве носителей культуры выступают люди...
13 10 2026 16:48:32
Подводить спортсмена к параметрам тренировочной работы, хаpaктерным для этапа подготовки к высшим достижениям необходимо постепенно, на протяжении ряда лет (8 – 10 лет)...
10 10 2026 8:12:50
• Отсутствие или невыраженность структуры построения занятий, то есть подготовительная, основная и заключительная части занятия кратковременны и ограничены по содержанию, а иногда и не выражены (например: оздоровительный бег, гигиеническая гимнастика, физкультминутки)...
09 10 2026 17:38:23
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...
08 10 2026 12:25:58
>
...
> 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)
...
06 10 2026 7:40:41
Магнус утверждал, что регулярные соревнования в лыжных гонках проводили лапландцы – жители Скандинавии и запада Кольского полуострова...
05 10 2026 0:44:24
Они разделены между собой серповидной связкой печени, которая подвешивает печень к диафрагме, удерживая ее в сагитальной плоскости...
04 10 2026 20:54:49
При помощи современной аппаратуры можно измерить максимальную силу всех основных мышечных групп в статических и динамических усилиях...
03 10 2026 23:34:48
Сознательность - это способность человека правильно разбираться в объективных закономерностях, понимать их и в соответствии с ними осуществлять свою деятельность...
02 10 2026 9:13:34
Пролиферативная фаза совпадает с фолликулярной фазой овариального цикла и состоит в быстрой пролиферации росте клеток эндометрия, приводящих к его утолщению...
01 10 2026 16:13:44
Разносторонняя подготовка при относительно небольшом объеме специальных упражнений более перспективна для последующего спортивного совершенствования, чем узкоспециализированная тренировка...
30 09 2026 11:27:52
>• профпросвещение – формирование у учащегося положительного отношения к труду учителя Ф К (тренера по И В С);• профинформация – ознакомление учащегося с деятельностью учителя Ф К, тренера; с кругом профессий в области Ф К и С (менеджер по спорту, методист по спорту, инструктор по спорту);• профагитация – доведение до сознания учащегося общественной значимости труда учителя Ф К, тренера;• профпропаганда – привлечение учащегося к оформлению наглядности по профориентации и методического кабинета;• профдиагностика – всестороннее изучение личности учащегося: интересы, мотивация, индивидуально-типологические особенности (темперамент, характер и т.д.), занятость в свободное время.• профвоспитание1. Оказание помощи в приобретении З У Н и развитие у учащегося склонностей и способностей путем включения их в практическую деятельность по профилю выбранной специальности (проведение спортивного занятия, тренировки, участие в проведении внеклассных спортивных мероприятий), при этом реализуется один из принципов психологии развитие личности в деятельности.2. Формирование устойчивого интереса к выбранной профессии, благодаря качественно проведенным занятиям и спортивным мероприятиям.3. Формирование личностных качеств, включающих следующие компоненты:- профессионально-педагогический: интерес к профессии, к Ф К и С, любовь к детям, значимые мотивы выбора профессии, качества личности (педагогический такт, принципиальность, справедливость);- мировоззренческий проявляется в моральных качествах, в осознании общественного долга, ответственности, общественной активности;- познавательный направлен на овладение знаниями, на стремление к самосовершенствованию, на творческое отношение к работе и учебе.4. Формирование у учащегося аналитического подхода к выбору профессии на основе оценки своих способностей.• профконсультацииа) ознакомление с требованиями, предъявляемыми к личности учителя Ф К, тренера.б) оказание помощи в выборе конкретной специальности, в выборе физкультурного учебного заведения.• профадаптация - осуществление контроля и помощи выпускникам в овладении профессией в процессе учебы в физкультурном вузе. Важную роль в ориентации учащихся на педагогическую деятельность играет личность педагога. Учитель Ф К, тренер являет собой агитационный «плакат», призывающий к выбору именно его профессии (... или отталкивающий). Спортивные наставники призваны помочь разрешить юным спортсменам вопрос «кем быть?» и показать им «какими они должны быть».« Трудно переоценить роль личности учителя, его духовного облика в пробуждении и развитии способностей, наклонностей, талантов ученика». ( В. А. Сухомлинский). Работа по профессиональной ориентации в вузе на учительскую профессию может эффективно осуществляться по направлениям:1. согласованное и преемственное взаимодействие школы и педагогического вуза по профессиональной ориентации школьников и студентов;2. выполнение студентами дифференцированных корректировочных программ по профориентации с учетом типологических особенностей, характеризующихся наличием довузовского опыта педагогической деятельности и мотивов выбора профессии учителя;3. вовлечение студентов в различные виды профориентационной деятельности в школах с целью корректировки мотива выбора учительской профессии. Таким образом, подготовка к профессии учителя должна начинаться задолго до того, как человек делает свой профессиональный выбор, и продолжается в процессе его профессиональной подготовки в соответствующем учебном заведении.
...
29 09 2026 13:25:37
В результате этих процессов от субстрата (как правило, это углевод) остаются углекислый газ и вода, например:С6 Н12 О6 +6О26СО2+6Н2О +энергия...
28 09 2026 19:42:54
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
27 09 2026 0:29:52
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Сенсорные системы»
...
26 09 2026 3:41:14
Параллельно с созреванием фолликула во время цикла возникают изменения в слизистой оболочке пoлoвых органов...
25 09 2026 12:31:14
Три основных физических качества: сила, скорость (быстрота), выносливость...
24 09 2026 0:30:52
Временные масштабы планирования – исходя из временного масштаба, на которое осуществляется планирование (перспективное, этапное или краткосрочное) определяется структура плана и степень его детализации...
23 09 2026 10:47:43
Стартовые положения – это исходные позы для последующего передвижения, которые обеспечивают лучшие условия для развития стартового ускорения...
22 09 2026 12:40:11
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
20 09 2026 16:23:10
Вероятно, самой первой силой, существование которой осознал человек, являлась сила притяжения, действующая на тела со стороны Земли...
19 09 2026 0:10:21
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
