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
Постепенно в ходе исторического процесса люди обратили внимание на то, что те члeны племени, которые вели более подвижный образ жизни, многократно повторяли те или иные физические действия, были более сильными и выносливыми...
15 04 2026 6:55:33
В это время проводятся педагогические наблюдения, контрольные испытания, медико-биологические и психологические исследования с целью дальнейшего определения сильных и слабых сторон подготовленности занимающихся...
14 04 2026 22:36:21
Количество всасывающихся веществ не зависит от потребностей организма (за исключением меди и железа), они пропорционально потрeблению пищи...
13 04 2026 4:53:34
В свою очередь расщепление энергосубстратов возможно только после их предварительного синтеза организмом...
12 04 2026 8:54:21
Семейное воспитание – это система воспитания и образования, складывающаяся в условиях конкретной семьи силами родителей и родственников...
11 04 2026 21:21:32
К ним относятся: брюшной тиф, дизентерия, сальмонеллезы, холера, инфекционный гепатит, полиомиелит, туляремия, лептоспирозы...
10 04 2026 2:53:58
Суставы детей этого возраста очень подвижны, связочный аппарат эластичен, скелет содержит большое количество хрящевой ткани...
09 04 2026 18:45:22
Второе направление – хаpaктеризуется введением фактора необычности при выполнении привычных действий, предъявляющего дополнительные требования к координации движений:
1...
08 04 2026 8:39:51
>1. Дидактические: С. доступно, ясно, интересно передавать материал, повышать активность, самостоятельность.2. Академические: С. к учебному предмету, стремление к глубокому познанию предмета и достижений в этой области.3. Перцептивные: С. стремление проникнуть во внутренний мир ученика, понимание его личности и состояния.4. Речевые: С. ясно выражать свои мысли и чувства с помощью вербальных и невербальных средств общения.5. Организаторские: С. организовать учеников, собственную деятельность, сформировать коллектив, воодушевить на решение задач.6. Авторитарные: С. эмоционально-волевым влиянием добиваться авторитета.7. Коммуникативные: С. к общению с учениками, коллегами, родителями; умение найти подход, наладить контакты.8. Педагогическое воображение: С. предвидеть последствия педагогической деятельности, прогнозировать, предугадывать, что может «получиться» из учеников.9. Аттенционные: С. распределить внимание между несколькими видами деятельности (учителю необходимо следить за изложением учебного материала, «видеть» учеников, их поведение, реакцию, признаки утомления, следить за дисциплиной, за собственным поведением.10. Двигательные: С. правильно выполнять и показывать физические упражнения, выполнять страховку.
...
07 04 2026 20:55:33
Пища представляет собой смесь животных и растительных продуктов, содержащих белки, жиры углеводы, витамины, минеральные соли и воду...
06 04 2026 7:28:44
Комплексный контроль в большинстве случаев реализуется в ходе тестирования или процедуры измерения результатов в тестах...
05 04 2026 4:58:33
«Энциклопедический словарь» Брокгауза и Ефрона, 1898г...
04 04 2026 19:56:44
При фронтальной форме организации занятий группа спортсменов одновременно выполняет одни и те же упражнения (иногда под счёт)...
03 04 2026 13:57:40
> 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.
...
02 04 2026 7:46:44
) Было выявлено, что вне зависимости от качества внешнего раздражителя наступают общие нейрогумopaльные изменения...
01 04 2026 23:36:16
Центростремительной силой называется проекция равнодействующей силы на тот радиус окружности, на котором в данный момент находится тело...
30 03 2026 20:22:32
Начальную активацию системы комплемента вызывают комплексы антиген- антитело и бактериальные агенты...
28 03 2026 1:27:48
>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).
...
27 03 2026 12:48:21
), направленная на повышение функциональных возможностей сердечно-сосудистой и дыхательной систем...
26 03 2026 6:31:37
Сила действия человека может быть представлена в виде вектора (→) и определена указанием: 1) направления, 2) величины (скалярной), 3) точки приложения...
25 03 2026 11:19:24
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
Разносторонняя подготовка при относительно небольшом объеме специальных упражнений более перспективна для последующего спортивного совершенствования, чем узкоспециализированная тренировка...
23 03 2026 3:15:46
>
...
Однако, тренировочный эффект будет достигнут лишь в том случае, когда после нескольких микроциклов, каждый из которых усугубляет утомление, вызванное предыдущим, следует восстановительный микроцикл, позволяющий обеспечить эффективное протекание адаптационных процессов и ускорить восстановительные процессы в организме спортсмена...
21 03 2026 2:11:46
> 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
...
20 03 2026 11:44:53
Теория и методика физической культуры 3 | ...
19 03 2026 3:48:36
Поэтому последующие занятия в микроциклах и мезоциклах могут проводиться как при повышенной или восстановившейся работоспособности, так и на фоне частичного недовосстановления...
18 03 2026 22:51:41
Сила трения – это диссипирующая сила, работа против которой требует необходимых затрат энергии со стороны спортсмена, уменьшая тем самым энергозатраты на полезный результат движения...
17 03 2026 1:46:48
Место массажа в лечебной пpaктикеМассаж у древних народов применялся как широко распространенный метод народной медицины...
16 03 2026 16:51:44
>
...
Наружная–склера, она непрозрачная, впереди переходит в прозрачную роговицу...
13 03 2026 4:27:42
Спортивные результаты измеряются в мин...
11 03 2026 7:36:28
Резервный объем – составляет воздух, который можно вдохнуть дополнительно после обычного вдоха...
10 03 2026 5:29:38
По своему назначению лыжи делятся на ступающие и скользящие», – так определили толкователи незатейливый и широко распространенный в мире спортивный инвентарь...
09 03 2026 16:47:30
Небольшие нагрузки, не достигающие порогового значения, прироста адаптации не дают...
08 03 2026 1:10:14
Эффекторные импульсы, проходящие по моторным нервам, заставляют сокращаться мышечное волокно...
07 03 2026 6:13:27
>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
...
06 03 2026 23:28:54
Структурной единицей печени является долька - крошечный участок паренхимы шестигранной формы, состоящий из гепатоцитарных балок и синусоидов- специфических внутридольковых капилляров, впадающих в центральную вену дольки...
04 03 2026 5:34:38
Специализированные средства (соревновательные и специально-подготовительные упражнения) с одной стороны оказывают более непосредственное влияние на повышение результатов...
03 03 2026 22:59:10
В конце 1 месяца беременности у женщин зародыш имплантирован в слизистую оболочку матки, в нем происходит возникновение зачатков органов и плодовых оболочек...
02 03 2026 3:18:41
Формирование необходимого основного фонда двигательных умений и навыков из отдельных видов спорта, освоение спортивной техники избранного вида спорта...
01 03 2026 0:13:23
Раздел статьи:
Теория и методика физической культуры
...
27 02 2026 19:19:53
Цели ФВ: 1) физическое совершенствование; 2) здоровье; 3) формирование привычек здорового образа жизни...
26 02 2026 18:11:26
Микроэлементы входящие в состав организма называют биогенными...
25 02 2026 23:22:33
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 
Андипал при гипотонии