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
65
3
Показатели ЭКГ
0...
31 03 2026 3:55:40
Цель конкретизируют системой частных задач с определением последовательности и сроком реализации...
30 03 2026 2:23:36
При физических нагрузках, когда МОД достигает 150-200 л*мин-1...
27 03 2026 4:13:39
Областные советы ДСО профсоюзов, СО «Динамо», ДСО «Трудовые резервы» делегировали своих лучших юных спортсменов для обучения в ШИСП, что способствовало росту спортивных результатов...
26 03 2026 16:10:58
> 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 11:24:48
> Перестроение.
...
> Процесс дыхания представляет собой процесс управления легочной вентиляцией для обеспечения оптимального газового состава внутренней среды организма. Основную роль в регуляции дыхания играют рефлекторные реакции, возникающие в результате возбуждения специфических рецепторов, заложенных в легочной ткани, сосудистых рефлексогенных зонах и скелетных мышцах. Центральный аппарат регуляции дыхания представляют нервные образования спинного мозга, продолговатого и вышележащих сегментов Ц Н С.
...
23 03 2026 5:11:13
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...
22 03 2026 1:21:35
В том месте, где на кривой Хилла скорость стремится к максимуму, сила стремится к нулю...
20 03 2026 15:25:25
Воздудимость – способность сердца возбуждаться под влиянием импульсов...
19 03 2026 12:51:34
Тур разделен на четыре этапа, которые проводились в Североуральске (Свердловская область), Югорске (ХМАО-Югра) и Ханты-Мансийске (ХМАО-Югра)...
18 03 2026 5:53:16
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...
17 03 2026 10:24:58
Напряжение кислорода и углекислого газа (мм...
16 03 2026 9:21:15
> 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.
...
14 03 2026 5:45:46
Спортивный отбор - это комплекс мероприятий, позволяющий определить высокую степень предрасположенности (одарённость) ребёнка к тому или иному роду спортивной деятельности (виду спорта)...
13 03 2026 1:53:22
Поступательным называется движение, при котором любой отрезок, проведённый между произвольными точками внутри тела, не меняет своей ориентации относительно тела отсчёта...
11 03 2026 3:41:22
Поэтому, чем меньше срок, на который составляется план, тем он более конкретный и детализированный...
10 03 2026 8:33:43
У всех локомоторных движений общая двигательная задача – усилиями мышц передвигать тело человека относительно опоры или среды...
09 03 2026 2:36:58
>
...
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
06 03 2026 6:37:44
В первом случае это выражается в использовании соревновательного начала, как способа стимулирования интереса и активизации деятельности при выполнении отдельных упражнений...
04 03 2026 6:30:25
В спортивных играх, единоборствах и других видах спорта в основном встречаются следующие способы проведения соревнований: круговой, отборочно-круговой, смешанный и способ прямого выбывания...
03 03 2026 2:15:26
Резервный объем – составляет воздух, который можно вдохнуть дополнительно после обычного вдоха...
02 03 2026 2:29:41
К проводящей системе сердца относятся: синусовый узел, предсердно-желудочковый узел, пучок Гисса, ножки пучка Гисса, волокна Пуркинье...
01 03 2026 10:52:30
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...
28 02 2026 18:16:31
Общественные цели – цели различных слоев населения, отражающие потребности, интересы и запросы по профессиональной подготовке...
27 02 2026 20:45:22
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
26 02 2026 0:31:10
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 02 2026 14:15:14
Методы, преимущественно направленные на освоение спортивной техники:
Среди методов, направленных на освоение спортивной техники, выделяют методы разучивания упражнений в целом (целостно-конструктивные) и по частям (расчлeнно-конструктивные)...
22 02 2026 11:38:42
В качестве основного средства интегральной подготовки выступают соревновательные упражнения и специально-подготовительные упражнения, максимально приближенные по структуре и особенностям деятельности функциональных систем и соревновательным...
21 02 2026 7:30:49
Начальная скорость вылета является той основной хаpaктеристикой, которая закономерно изменяется с ростом спортивного мастерства...
20 02 2026 1:13:47
Интенсивность нагрузки (качественная сторона нагрузки) определяется скоростью преодоления дистанции, величиной преодолеваемого отягощения или сопротивления, темпом движений, плотностью выполнения упражнений в занятии...
19 02 2026 7:19:33
Формирование необходимого основного фонда двигательных умений и навыков из отдельных видов спорта, освоение спортивной техники избранного вида спорта...
17 02 2026 6:26:34
Тело человека не могло бы выполнять разнообразные двигательные функции, если бы отсутствовала опopная конструкция – костный скелет, который формируют порядка 206 костей...
16 02 2026 9:40:57
Рецепторы могут быть встроены в наружную мембрану клеток (рецепторы катехоламинов), во внутренние органоиды (рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов)...
15 02 2026 15:44:28
Совершенствованию ООД способствует выполнение так называемых контрастных и сближающих заданий, связанных с уточнением «опopных точек» и параметров совершаемых движений...
14 02 2026 6:11:36
Белки служат источником незаменимых аминокислот и так называемого неспецифического азота, необходимого для синтеза белка...
12 02 2026 23:15:20
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 
Причины возникновения осуждения