Потенциальная и кинетическая энергия. Понятие «механическая работа» > Русский спорт - научная база
Русский спорт - научная база    


Потенциальная и кинетическая энергия. Понятие «механическая работа»

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: Энергияэто 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 энергияэто 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


Физическое воспитание и здоровье

Физическое воспитание и здоровье  Адаптация обеспечивается скоординированной во времени и прострaнcтве деятельностью всего организма...

20 04 2024 15:24:31

Сравнение структуры основных отделов пищеварительного тpaкта человека (таблица)

Сравнение структуры основных отделов пищеварительного тpaкта человека (таблица)   Мышечная пластинка слизистой оболочки Некоторое количество слизистых желез имеется Многочисленные желудочные железы имеется Кишечные и выраженные лимфатические сосуды имеется Трубчатые железы имеется Подслизистая оболочка...

19 04 2024 21:23:58

Движения с разгоном перемещаемых тел

Движения с разгоном перемещаемых тел  Начальная скорость вылета является той основной хаpaктеристикой, которая закономерно изменяется с ростом спортивного мастерства...

16 04 2024 3:53:46

Сила

Сила  Сила | ...

15 04 2024 10:47:15

Формы воспитания |

Формы воспитания | align="right"> Раздел статьи: Педагогика. Воспитание ...

14 04 2024 5:27:53

Закономерности переноса двигательных умений и навыков

Закономерности переноса двигательных умений и навыков  Основным условием положительного переноса навыка является наличие структурного сходства в главных фазах (отдельных звеньях) этих двигательных действий...

13 04 2024 12:17:57

Структура тактической подготовленности

Структура тактической подготовленности   От других тренировочных упражнений их отличает: 1) установка при выполнении данных упражнений ориентирована на решение тактических задач; 2) в упражнениях пpaктически моделируется отдельные тактические приёмы и ситуации соревновательной борьбы; 3) в некоторых случаях моделируются и внешние условия соревнований; 2) видами спортивной тактики (наступательной, оборонительной, контратакующей); 3) формами спортивной тактики (индивидуальной, групповой, комaндной)...

12 04 2024 10:27:17

Пpaктические методы

Пpaктические методы  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)...

11 04 2024 0:15:43

Базовые функциональные понятия: «спортивная подготовка» и «спортивная тренировка»

Базовые функциональные понятия: «спортивная подготовка» и «спортивная тренировка»  Система соревнований частично выходит за рамки спортивной подготовки, так как подготовительную функцию выполняют только такие виды соревнований как контрольные, подготовительные, отборочные, подводящие соревнования, к главным соревнованиям (самым ответственным в данном соревновательном периоде) ведется специальная подготовка, и они как - бы выходят за рамки спортивной подготовки...

10 04 2024 13:46:53

Расчет ЭКГ

Расчет ЭКГ  Оценить ритм сердца...

09 04 2024 22:51:16

Двигательный навык

Двигательный навык  Так занимающиеся сосредотачивают своё внимание во время во время бега в основном на контроле за скоростью; при передвижении на лыжах – на изменении рельефа местности, темпе прохождения дистанции и усилиях при отталкивании, при метаниях – на выполнении мощного финального усилия, то есть на решающих компонентах в достижении высокой эффективности действия...

08 04 2024 10:38:58

Углеводы

Углеводы  Неусвояемые – балластные, пищевые волокна, играют огромную роль в поддержании нормальной регуляции пищеварения...

06 04 2024 2:30:14

Анаэробная производительность организма и ее показатель МКД |

Анаэробная производительность организма и ее показатель МКД | > 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. ...

05 04 2024 21:41:30

Артерио-венозная разница по кислороду

Артерио-венозная разница по кислороду  %) и оттекающей от них венозной кровью (примерно 13 об...

04 04 2024 20:57:45

Регуляция деятельности желёз внутренней секреции

Регуляция деятельности желёз внутренней секреции  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...

03 04 2024 8:27:24

Сочетание в микроцикле занятий с различными по величие и направленности нагрузками

Сочетание в микроцикле занятий с различными по величие и направленности нагрузками  Восстановительные процессы у спортсменов высокой квалификации после больших нагрузок обычно завершаются через 2 – 3 суток (48 – 72 часа)...

02 04 2024 16:44:49

Модели подготовленности

Модели подготовленности  Модели, ориентирующие на достижение конкретных уровней совершенствования тех или иных сторон подготовленности, позволяет сопоставлять индивидуальные данные конкретного спортсмена с хаpaктеристиками модели, оценить сильные и слабые стороны его подготовленности и, исходя из этого, планировать и корректировать тренировочный процесс, подбирать средства и методы воздействия...

01 04 2024 0:39:35

Сочетание микроциклов в разных типах мезоциклов

Сочетание микроциклов в разных типах мезоциклов  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...

30 03 2024 23:10:24

Биомеханика

Биомеханика  Масса тела Виды сил в природе Гравитационные силы...

29 03 2024 17:38:12

Допинг

Допинг  Активная борьба с допингами началась после Олимпиады в 1960 году в Риме, погиб Енсен датский велогонщик, применивший прямо на дистанции велогонки амфетамин...

28 03 2024 8:48:14

Физиологические обоснования принципов спортивной тренировки

Физиологические обоснования принципов спортивной тренировки  Небольшие нагрузки, не достигающие порогового значения, прироста адаптации не дают...

27 03 2024 19:15:54

Общая физическая подготовка

Общая физическая подготовка  Дело в том, что общая физическая подготовка должна строится согласно закономерностям переноса тренировочного эффекта с подготовительных упражнений на соревновательные действия в избранном виде спорта...

26 03 2024 19:18:34

Стимуляторы

Стимуляторы  Их стимулирующее действие в значительной мере связано на стволовую часть мозга...

25 03 2024 12:38:58

Тканевые гормоны |

Тканевые гормоны | align="right"> Раздел статьи: Лекции о гормонах ...

23 03 2024 8:23:39

Сила сопротивления при движении в воде или атмосферном воздухе

Сила сопротивления при движении в воде или атмосферном воздухе  Силы сопротивления очень зависят от формы тела и возрастают при увеличении скорости его движения относительно среды...

22 03 2024 6:41:14

Особенности возрастного развития в старшем школьном возрасте

Особенности возрастного развития в старшем школьном возрасте  В этом возрасте замедляется рост тела в длину и увеличение его размеров в ширину, а также прирост в массе...

21 03 2024 6:19:29

Психологический контакт как требование к воспитанию

Психологический контакт как требование к воспитанию  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...

20 03 2024 13:35:59

Условия формирования устойчивости двигательных навыков

Условия формирования устойчивости двигательных навыков  Главными адаптирующими факторами при этом являются объём и интенсивность специфических тренировочных нагрузок, приближённых к соревновательным, а в некоторых фрагментах и превышающих их...

18 03 2024 14:48:57

Основное содержание комплексного контроля

Основное содержание комплексного контроля  Комплексный контроль в большинстве случаев реализуется в ходе тестирования или процедуры измерения результатов в тестах...

17 03 2024 19:32:48

Кинематические хаpaктеристики движений

Кинематические хаpaктеристики движений  Прострaнcтвенно техника физических упражнений хаpaктеризуется рациональным взаиморасположением звеньев двигательного аппарата человека, обеспечивающим: целесообразное исходное положение перед началом движений, оперативную позу в процессе его выполнения и соблюдение оптимальной траектории движений...

16 03 2024 1:18:25

Структура силовых способностей

Структура силовых способностей  Эффекторные импульсы, проходящие по моторным нервам, заставляют сокращаться мышечное волокно...

15 03 2024 4:11:41

Выносливость. Общая и специальная выносливость

Выносливость. Общая и специальная выносливость  В сложнокоординационных видах деятельности показателем выносливости является стабильность технически правильного выполнения действия...

14 03 2024 3:48:41

Всасывание продуктов переваривания пищи

Всасывание продуктов переваривания пищи  Количество всасывающихся веществ не зависит от потребностей организма (за исключением меди и железа), они пропорционально потрeблению пищи...

13 03 2024 3:25:28

Радиационная гигиена

Радиационная гигиена  Ионизирующее излучение образуется в процессе самопроизвольного превращения неустойчивых изотопов одних химических элементов в другие...

12 03 2024 8:34:35

Основные понятия кинематики и кинематические хаpaктеристики

Основные понятия кинематики и кинематические хаpaктеристики  Описание движения как тела человека (его частей) в различных видах спорта, так и различных спортивных снарядов являются неотъемлемой частью спортивной биомеханики и в частности кинематики...

11 03 2024 6:35:11

Цели педагогического процесса

Цели педагогического процесса  Общественные цели – цели различных слоев населения, отражающие потребности, интересы и запросы по профессиональной подготовке...

10 03 2024 21:11:57

Концепция Федеральной целевой программы развития образования |

Концепция Федеральной целевой программы развития образования | align="right"> Раздел статьи: Введение в педагогику ...

09 03 2024 9:12:41

Регуляция работы сердца

Регуляция работы сердца  Самый первый и элементарный уровень регуляции – внутрисердечный...

08 03 2024 9:15:34

Адаптация и проблемы рациональной подготовки спортсменов

Адаптация и проблемы рациональной подготовки спортсменов  Соревнования, особенно главные (Олимпийские игры, чемпионаты мира, крупнейшие международные региональные соревнования), связаны не только с предельными физическими нагрузками, но и с наличием экстремальных условий (жёсткая конкуренция, сложные климатические и погодные условия, особенности судейства, поведение зрителей), определяющих формирование адаптационных реакций...

07 03 2024 3:10:33

Декларация прав ребенка (20.11.59)

Декларация прав ребенка (20.11.59)  - провозглашение) не имеет обязательной силы...

06 03 2024 0:33:54

Развитие лыжных гонок

Развитие лыжных гонок  И каждый, желая быть лучшим, бежит вперегонки с другим, как это делается на земле»...

05 03 2024 7:36:16

Факторы развития личности

Факторы развития личности  Наследственность - это то, что передается от родителей детям, наследственность представлена генетической программой, которая развертывается в течение жизни и является природной предпосылкой развития...

04 03 2024 22:16:21

Цель и задачи физического воспитания детей школьного возраста

Цель и задачи физического воспитания детей школьного возраста  Основные физические способности и функциональные возможности можно эффективно повысить именно в этом возрасте...

03 03 2024 14:19:32

Педагогическая деятельность тренера

Педагогическая деятельность тренера  Цели работы тренера:1...

02 03 2024 15:49:18

Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::