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
Стартовые положения – это исходные позы для последующего передвижения, которые обеспечивают лучшие условия для развития стартового ускорения...
23 01 2026 2:23:38
Небольшие нагрузки, не достигающие порогового значения, прироста адаптации не дают...
22 01 2026 4:51:49
У млекопитающих и человека наблюдаются пoлoвые циклы, сезонные колебания физиологической активности щитовидной железы, надпочечников, пoлoвых желёз , суточные изменения двигательной активности, температуры тела, частоты сердечных сокращений, обмена веществ и т...
20 01 2026 0:15:47
Первая зона интенсивности...
19 01 2026 12:28:24
Из числа методов речевого воздействия, преподаватель применяет объяснительный рассказ и инструктирование, для того, чтобы раскрыть смысл разучиваемого действия, выделить ООТ, которые должны войти в его ориентировочную основу...
18 01 2026 11:18:59
Раздел статьи:
Теория и методика физической культуры
...
16 01 2026 18:52:46
10 лет Комиссия по правам человека разpaбатывали этот проект...
15 01 2026 5:51:42
В период вpaбатывания налаживается необходимый стереотип движений, происходит мобилизация вегетативных функций тех систем организма, которые в основном обеспечивают выполнение данной работы...
13 01 2026 18:10:30
Если требуется достижение заметного сдвига в развитии гибкости уже через 3 – 4 месяца, то рекомендуются следующие соотношения в использовании упражнений: примерно 40% - активные; 40% - пассивные и 20% - статические...
12 01 2026 1:44:14
Программа соответствует приоритетным задачам социально-экономического развития РФ...
11 01 2026 18:46:27
Управлению на основе данных оперативного контроля подлежат такие хаpaктеристики параметров тренировочной нагрузки, как продолжительность и количество отдельных упражнений, интенсивность работы при их выполнении, продолжительность пауз между отдельными упражнениями и т...
10 01 2026 17:56:21
• Всё более избирательная концентрация внимания в процессе выполнения действия не на его деталях, а на решающих операциях...
09 01 2026 10:36:50
Как родниковая вода, кровь для питания печеночных клеток, по другим- кровь совсем не первой свежести, несущая от кишечника, желудка, и селезенки...
08 01 2026 19:21:46
> Желчные кислоты принимают участие в процессе переваривания жира. Желчный пигмент билирубин образуется из гемоглобина в процессе разрушения эритроцитов в печени. Темный цвет желчи обусловлен наличием в ней этого пигмента. Желчь повышает активность ферментов поджелудочного и кишечного соков, особенно липазы. Она эмульгирует жиры, и растворяет продукты их гидролиза, чем способствует их всасыванию. Создавая щелочную реакцию в 12-перстной кишке, желчь препятствует разрушению трипсина пепсином. Она выполняет и регуляторную роль, являясь стимулятором желчеобразования, желчевыделения, моторной и секреторной деятельности тонкого кишечника. Желчь обладает также бактериостатическими свойствами. Задерживая гнилостные процессы в кишечнике. Велика роль желчи во всасывании из кишечника жирорастворимых витаминов, холестерина, аминокислот и солей кальция.
...
07 01 2026 22:13:31
Количество всасывающихся веществ не зависит от потребностей организма (за исключением меди и железа), они пропорционально потрeблению пищи...
06 01 2026 1:50:21
Этапное планирование в спорте обычно имеет продолжительность от 1 – 1...
05 01 2026 13:26:53
- воспитание интереса к физическим упражнениям и подвижным играм...
04 01 2026 13:50:31
0
Казеиноген молока
казеин
Желудочный сок
Пепсиноген
желудок
2...
03 01 2026 4:50:53
При воспитании собственно-силовых способностей с преодолевающим режимом работы мышц применяются предельные и околопредельные отягощения – 90-95% от максимальных, с 2-3 ПМ; в чередовании с отягощениями 80-90% - до 4-6 ПМ...
02 01 2026 5:36:58
Физические нагрузки они переносят лучше при относительно меньшей частоте пульса и большем повышении кровяного давления...
01 01 2026 23:52:29
> 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
...
31 12 2025 4:13:26
При фронтальной форме организации занятий группа спортсменов одновременно выполняет одни и те же упражнения (иногда под счёт)...
30 12 2025 10:52:21
Центр масс тела. Равновесие. Масса тела | ...
27 12 2025 4:12:15
Тур разделен на четыре этапа, которые проводились в Североуральске (Свердловская область), Югорске (ХМАО-Югра) и Ханты-Мансийске (ХМАО-Югра)...
26 12 2025 6:58:35
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Педагогическая деятельность
...
24 12 2025 13:38:39
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Воспитание
...
23 12 2025 14:15:13
По своему назначению лыжи делятся на ступающие и скользящие», – так определили толкователи незатейливый и широко распространенный в мире спортивный инвентарь...
22 12 2025 7:54:48
Принцип целостности, упорядоченности - означает достижение единства и взаимосвязи всех компонентов педагогического процесса...
20 12 2025 11:55:19
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Педагогическая деятельность
...
19 12 2025 10:55:12
Такая мышца не может считаться вполне здоровой...
18 12 2025 5:26:30
> Педагогический процесс создается педагогом и имеет следующую структуру. Ц Е Л Ь – П Р И Н Ц И П Ы – С О Д Е Р Ж А Н И Е – М Е Т О Д Ы – С Р Е Д С Т В А – Ф О Р М Ы Цель отражает конечный результат педагогического взаимодействия, к которому стремятся педагог и ученик; это предвидимый результата деятельности. Принципы предназначены для определения основных направлений достижения цели. Содержание представляет собой опыт, который передается для достижения поставленной цели. Методы – действия педагога и учащихся, посредством которых передается и принимается содержание. Средства – способы «работы» с содержанием (их используют в единстве с методами). Формы придают логическую завершенность педагогическому процессу.
...
17 12 2025 2:56:58
Чем шире круг двигательных умений и навыков, освоенных спортсменом, тем благоприятнее предпосылки для образования новых форм двигательной деятельности и совершенствования освоенных ранее...
15 12 2025 17:54:53
Одним из важнейших условий совершенствования рациональной техники является взаимосвязь структуры движений и уровня развития физических качеств...
12 12 2025 19:21:27
style="text-align: justify;"> Система воспитания носила военно – физический характер. Цели спартанской педагогики: послушание старшим, физическая закалка и выносливость, «наука побеждать». Дети рабовладельцев, вне семьи, учились чтению, письму, счету, получали музыкальное воспитание (хоровое пение), много времени отводилось военно – физическим упражнениям. Для девушек, кроме традиционной (домоводство, уход за ребенком) существовала специальная военно – физическая система (бег, прыжки, борьба, метание копья, диска).
...
11 12 2025 15:32:24
Помещают на поверхности клетки, в межклеточном прострaнcтве...
10 12 2025 18:57:42
При физических нагрузках, когда МОД достигает 150-200 л*мин-1...
08 12 2025 19:37:11
На этом этапе многолетней подготовки определяется спортивная ориентация спортсменов в зависимости от их врождённых способностей (генетических факторов)...
07 12 2025 16:48:24
Для работы в таких условиях необходимы определенные качества личности, определяющие профессиональную пригодность и способности к педагогической деятельности...
06 12 2025 0:17:39
Технические приёмы и действия в современном спорте исключительно многообразны, объём их постоянно обогащается...
05 12 2025 23:11:29
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 
В какие развивающие игры родители играют с детьми 
Оздоровительная направленность как важнейший принцип системы физического воспитания