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
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
08 02 2026 20:56:43
Магнус утверждал, что регулярные соревнования в лыжных гонках проводили лапландцы – жители Скандинавии и запада Кольского полуострова...
07 02 2026 23:31:57
Поступательным называется движение, при котором любой отрезок, проведённый между произвольными точками внутри тела, не меняет своей ориентации относительно тела отсчёта...
05 02 2026 10:26:58
При этом в организме накапливаются недоокисленные продукты гликолиза (молочная кислота), что приводит к резким сдвигам КЩР, заставляя спортсменов резко снизить или прекратить работу...
02 02 2026 23:12:19
В условиях максимальной нагрузки ЧД возрастает до 40-60 в 1 минуту...
01 02 2026 6:23:31
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о дыхании
...
> Кислород и углекислый газ диффундируют только в растворенном состоянии, что обеспечивается наличием в воздухоносных путях водяных паров, слизи и сурфактанта.
...
30 01 2026 13:33:42
Теория и методика физической культуры 4 | ...
28 01 2026 19:33:54
Начальная скорость вылета является той основной хаpaктеристикой, которая закономерно изменяется с ростом спортивного мастерства...
27 01 2026 6:58:52
>
...
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
Главные клетки секретируют пищеварительные ферменты, обкладочные – соляную кислоту, а добавочные – слизь...
21 01 2026 12:18:42
Теория и методика избранного вида спорта 2 | ...
19 01 2026 19:41:26
Одним из первых актов созданной в1945 г...
17 01 2026 18:49:12
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Воспитание
...
%) и оттекающей от них венозной кровью (примерно 13 об...
15 01 2026 2:40:36
Небольшие нагрузки, не достигающие порогового значения, прироста адаптации не дают...
13 01 2026 13:31:28
Специализированные средства (соревновательные и специально-подготовительные упражнения) с одной стороны оказывают более непосредственное влияние на повышение результатов...
12 01 2026 4:24:43
Как родниковая вода, кровь для питания печеночных клеток, по другим- кровь совсем не первой свежести, несущая от кишечника, желудка, и селезенки...
11 01 2026 5:38:12
В качестве важнейшей операции в цикле этапного управления выделяют разработку моделей соревновательной деятельности и подготовленности, которые должны быть использованы в качестве ориентира на данном спортивного совершенствования...
09 01 2026 9:41:38
При физических нагрузках, когда МОД достигает 150-200 л*мин-1...
08 01 2026 8:36:18
10 лет Комиссия по правам человека разpaбатывали этот проект...
07 01 2026 21:25:31
> Допинговые средства и методы и противодействие использованию допингов
Запрещённые вещества и методы
Стимуляторы
Наркотические анальгетики
Анаболические стероиды
Диуретики
Пептидные гормоны. Бета-блокаторы
Кровяной допинг
Противодействие использованию допинговых средств и методов в спорте
Механизм действия, эффективность и побочные эффекты допинговых веществ и методов (таблица)
...
06 01 2026 20:41:17
Наукой доказано, что здоровье человека только на 10 - 15 % зависит от деятельности учреждений здравоохранения, на 15 - 20 % - от генетических факторов, на 20 -25 % - от состояния окружающей среды и на 50 - 55 % - от условий образа жизни...
05 01 2026 2:32:33
Дело в том, что общая физическая подготовка должна строится согласно закономерностям переноса тренировочного эффекта с подготовительных упражнений на соревновательные действия в избранном виде спорта...
04 01 2026 9:36:49
align="right"> Раздел статьи:
Педагогика. Дидактика
...
03 01 2026 22:37:32
Так, спринтер должен обладать, прежде всего, высокоразвитыми скоростными и скоростно-силовыми способностями в особом соотношениями, условно обозначенном термином «спринтерская мощность», а также развитой спринтерской выносливостью, основанной на возможностях анаэробного использования энергетических ресурсов мышечного сокращения...
02 01 2026 11:47:47
Варианты построения 4-летнего олимпийского цикла
Вариант
1 – год
2 – год
3 – год
4 – год
Рекомендуется
Первый
Повышение общего объёма и объёма нагрузки повышенной интенсивности
Молодым спортсменам, готовящимся к своей первой Олимпиаде
Второй
Увеличение общего объёма и объёма нагрузки повышенной интенсивности
У Стабилизация объёма тренировочных нагрузок и объёма работы повышенной интенсивности
Молодым и опытным спортсменам
Третий
Снижение общего объёма и объёма нагрузки повышений интенсивности
Повышение общего объёма и объёма нагрузки повышенной интенсивности
Снижение общего объёма и объёма нагрузки повышенной интенсивности
Повышение общего объёма нагрузки и объёма нагрузки повышенной интенсивности
Опытным спортсменам, готовящимся к своей второй или третьей Олимпиаде
Раздел статьи:
Основы спортивной тренировки
...
01 01 2026 10:20:35
Светлые клетки, образующие наружный слой, играют роль в питании зародыша и носят название трофэктодермы...
31 12 2025 0:35:21
Прозрачность должна быть не менее 30см, а воды плавательных бассейнов -20 см...
30 12 2025 2:35:11
> Выдыхаемый воздух состоит из смеси альвеолярного и воздуха вредного пространства, по составу мало отличающегося от атмосферного.
...
29 12 2025 19:51:13
Располагается сердце между легкими, в средостении...
28 12 2025 21:51:47
Эти два направления могут играть роль как собственно средств восстановления, так и средств стимулирования работоспособности...
27 12 2025 13:58:53
Ниже приведены наиболее общие морфологические хаpaктеристики спортсменов высокого класса, специализирующихся в различных видах спорта, а также оптимальные возрастные границы для достижения наивысших спортивных результатов...
23 12 2025 18:44:55
Выполнение упражнения означает переход на тот или иной уровень его функциональной активности...
21 12 2025 10:23:41
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 
Можно ли есть мороженое беременным? 
Про войну, женское лицо и полутона
Модели соревновательной деятельности