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»

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


Передвижение с опорой на воду

Передвижение с опорой на воду  для движения вперёд вода должна отбрасываться назад...

27 01 2023 23:45:58

Первый этап – этап начальной подготовки

Первый этап – этап начальной подготовки  Формирование необходимого основного фонда двигательных умений и навыков из отдельных видов спорта, освоение спортивной техники избранного вида спорта...

26 01 2023 8:10:43

Процесс, особенности и цели воспитания |

Процесс, особенности и цели воспитания | >• Целенаправленный процесс. Воспитание – это специально организованное, управляемое и контролируемое взаимодействие воспитателей и воспитанников, конечной целью имеющие формирование личности.• Взаимодействие. Процесс воспитания – это эффективное взаимодействие (сотрудничество) воспитателей и воспитанников, направленное на достижение цели.• Многофакторность. В процессе воспитания проявляются объективные факторы (условия, в которых личность живет и формируется) и субъективные (внутренние потребности личности, индивидуальные особенности личности).• Динамичность, подвижность, изменчивость.• Длительность. По сути воспитательный процесс длится всю жизнь.• Непрерывность. Это процесс непрерывного, систематического взаимодействия воспитателей и воспитанников.• Комплексность. Это означает единство целей, задач, содержания, методов и форм воспитательного процесса, подчиненное идее целостности формирования личности.• Вариативность (неоднозначность) и неопределенность результатов. В одних и тех же условиях результаты могут существенно отличаться. Это обусловлено действиями субъективных факторов: индивидуальными различиями воспитанников, их социальным опытом, отношением к воспитанию, а также уровнем профессиональной подготовленности воспитателя, его мастерством, умением руководить процессов.• Двусторонний характер. Процесс воспитания идет в двух направлениях: от воспитателя к воспитаннику и от воспитанника к воспитателю (прямая и обратная связь). ...

25 01 2023 6:25:34

Общие положения моделирования в спорте

Общие положения моделирования в спорте  В первую группу входят: 1) модели, хаpaктеризующие структуру соревновательной деятельности; 2) модели, хаpaктеризующие различные стороны подготовленности спортсмена; 3) морфофункциональные модели, отражающие морфологические особенности организма и возможности отдельных функциональных систем, обеспечивающие достижение заданного уровня спортивного мастерства...

24 01 2023 21:25:34

Жизненная емкость легких

Жизненная емкость легких  Резервный объем – составляет воздух, который можно вдохнуть дополнительно после обычного вдоха...

23 01 2023 8:38:57

Временные масштабы планирования

Временные масштабы планирования  Поэтому, чем меньше срок, на который составляется план, тем он более конкретный и детализированный...

22 01 2023 15:31:25

Массаж в реабилитации |

Массаж в реабилитации | > Список литературы1. Бирюков А. А. Массаж – М.: Фи С, 19882. Бирюков А. А., Кафаров К. А. Средства восстановления работоспособности спортсмена М.: Фи С, 1979-151с.3. Белая Н. А. Руководство по лечебному массажу. М.: Медицина, 19834. Васичкин В. И. Справочник по массажу. Спб, - 1991 (function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: "R-A-335569-1", renderTo: "yandex_rtb_R-A-335569-1", async: true }); }); t = d.getElementsByTagName("script")[0]; s = d.createElement("script"); s.type = "text/javascript"; s.src = "//an.yandex.ru/system/context.js"; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); })(this, this.document, "yandexContextAsyncCallbacks"); ...

20 01 2023 2:44:26

Углеводы

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

19 01 2023 2:32:44

Формы обучения |

Формы обучения | >• По количеству учащихся: массовые, коллективные, групповые, индивидуальные.• По месту учебы: школьные (уроки, учебные занятия, работа на пришкольном участке, в лаборатории) и внешкольные (домашняя самостоятельная работа, экскурсии).• По длительности времени обучения: классический урок (40 – 45 минут), спаренное занятие (90 минут), занятие произвольной продолжительности «без звонков». На различных этапах развития общества находили применение следующие четыре формы обучения. Индивидуальная форма обучения. Это такое обучение, когда учитель обучает каждого ученика отдельно, когда существует непосредственный контакт с учеником; возможность понять ученика, прийти на помощь, исправить ошибки, отметить успехи; учет индивидуального темпа усвоения учебного материала, способностей. Групповая форма обучения. Предполагает работу учащихся в группах по 3 – 6 человек и наиболее целесообразна при проведении практических и лабораторных работ, при отработке навыков. задания. Лекционно – семинарская форма обучения. Данная форма обучения предусматривает более высокий уровень обучения, характерна для вузов. Виды учебных занятий. Лекция – основная форма передачи большого объема систематизированной информации (продолжительностью 80 – 90 минут). Она призвана дать целостное, отчетливое и доказательное представление об изучаемой проблеме. Практическое (семинарское) занятие направлено на углубление и закрепление знаний под руководством преподавателя, на обсуждение результатов самостоятельного изучения учащимися (студентами) темы. Кроме лекций, семинарских и практических занятий существуют и другие, так называемые вспомогательные формы организации учебной работы: экскурсии, конференции, факультативы и курсы по выбору, консультации, тренинги, собеседования, экзамены, зачеты.  (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); Классно – урочная форма обучения.  Это наиболее распространенная форма обучения в школе, возникшая в 17 веке. Ее контуры очертил немецкий педагог И. Штурм, а разработал теоретические основы и воплотил в практику Я. А. Коменский. Это наиболее экономичная система, она обеспечивает доступность, последовательность, прочность обучения, а учитель является руководителей учебно – воспитательного процесса. Она является специфической формой организации учебной работы, состоит в том, что учащиеся одного и того же возраста распределяются по классам, занятия с ними проводятся поурочно, по заранее составленному расписанию, причем все учащиеся класса работают над одним и тем же материалом. Недостатки классно – урочной формы: трудность в учете индивидуальных особенностей учащихся, в организации индивидуальной работы; строгая организационная структура затрудняет связь обучения с реальной жизнью. Классно – урочная система имеет следующие формы: основная форма – урок и традиционные формы – домашняя работа, экскурсии, факультативы, общественно полезный труд, внеклассная работа (кружки, конкурсы, олимпиады, выставки). ...

17 01 2023 1:47:32

Третий этап – этап специализированной базовой подготовки

Третий этап – этап специализированной базовой подготовки   На этом этапе многолетней подготовки определяется спортивная ориентация спортсменов в зависимости от их врождённых способностей (генетических факторов)...

16 01 2023 18:45:13

Средства физического воспитания детей школьного возраста

Средства физического воспитания детей школьного возраста  Большое разнообразие упражнений, отнесенных к основной гимнастике, позволяет успешно решать образовательные, оздоровительные и воспитательные задачи...

14 01 2023 0:39:27

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...

13 01 2023 16:44:23

Теоретические основы массажа

Теоретические основы массажа  Место массажа в лечебной пpaктикеМассаж у древних народов применялся как широко распространенный метод народной медицины...

12 01 2023 1:57:48

Методы контроля

Методы контроля  )...

11 01 2023 4:37:24

Методические приёмы воспитания координационных способностей

Методические приёмы воспитания координационных  способностей  Второе направление – хаpaктеризуется введением фактора необычности при выполнении привычных действий, предъявляющего дополнительные требования к координации движений: 1...

10 01 2023 15:31:11

Профессиональная пригодность и педагогические способности |

Профессиональная пригодность и педагогические способности | >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. ...

09 01 2023 19:53:26

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...

08 01 2023 10:20:22

Третий этап отбора

Третий этап отбора  Эффективность отбора в значительной степени связана с оценкой у спортсменов основных показателей, хаpaктеризующих уровень их специальной подготовленности и спортивного мастерства...

07 01 2023 6:52:56

Гигиена питания

Гигиена питания  Питание – сложный процесс поступления, переваривания, всасывания и усвоения в организме пищевых веществ, необходимых для покрытия его энергетических трат, построения и возобновления клеток и тканей организма, регуляции физиологических функций организма...

06 01 2023 7:12:45

Содержание образования

Содержание образования  Это специально отобранная и признанная обществом (государством) система элементарного объективного опыта человечества, усвоение которой необходимо для успешной деятельности в определенной сфере...

04 01 2023 12:30:52

Глоссарий по теме «Сердце»

Глоссарий по теме «Сердце»  Глоссарий по теме «Сердце» | ...

03 01 2023 19:17:43

Элементарные формы проявления скоростных способностей

Элементарные формы проявления скоростных способностей  Двигательной реакцией принято называть процесс, который начинается с восприятия информации, побуждающей к действию (стартовый сигнал, ситуация имеющая сигнальное значение) и заканчивающаяся с началом ответных действий – стартовых, либо начинающихся в порядке переключения от одного действия к другому...

02 01 2023 8:38:59

Формы воспитания

Формы воспитания  д...

01 01 2023 10:31:32

Иммунологическая память

Иммунологическая память  Эти же процессы лежат в основе аллергических заболеваний...

31 12 2022 22:50:12

Противодействие использованию допинговых средств и методов в спорте

Противодействие использованию допинговых средств и методов в спорте  Допинговый контроль представляет собой взятие биологических проб и их исследование в целях выявления наличия в организмах спортсменов, участвующих в соревнованиях, допинговых средств или установления факта использования спортсменами допинговых средств и методов подготовки к соревнованиям...

29 12 2022 21:34:54

План конспект эстафеты с баскетбольным мячом

План конспект эстафеты с баскетбольным мячом  - воспитание интереса к физическим упражнениям и подвижным играм...

28 12 2022 17:43:18

Классификация видов спорта

Классификация видов спорта  «Олимпийская квалификация» Наиболее распространённые виды спорта включены в программу летних и зимних Олимпийских игр...

27 12 2022 19:48:51

Локомоторные движения

Локомоторные движения  У всех локомоторных движений общая двигательная задача – усилиями мышц передвигать тело человека относительно опоры или среды...

26 12 2022 8:37:57

Принципы обучения

Принципы обучения  А...

25 12 2022 10:59:47

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...

24 12 2022 16:13:44

Декларация прав ребенка (20.11.59) |

Декларация прав ребенка (20.11.59) | align="right"> Раздел статьи: Введение в педагогику (function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: "R-A-335569-1", renderTo: "yandex_rtb_R-A-335569-1", async: true }); }); t = d.getElementsByTagName("script")[0]; s = d.createElement("script"); s.type = "text/javascript"; s.src = "//an.yandex.ru/system/context.js"; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); })(this, this.document, "yandexContextAsyncCallbacks"); ...

22 12 2022 5:47:11

Текущий контроль

Текущий контроль  В текущем контроле оцениваются срочный и отставленный тренировочные эффекты (СТЭ и ОТЭ)...

21 12 2022 20:39:59

Задачи физического воспитания

Задачи физического воспитания  • Формирование знаний о личной гигиене, режиме дня, влиянии физических упражнений на состояние здоровья, работоспособность и развитие двигательных способностей...

20 12 2022 7:21:42

Биомеханическая хаpaктеристика силовых и скоростно-силовых качеств

Биомеханическая хаpaктеристика силовых и скоростно-силовых   качеств  В том месте, где на кривой Хилла скорость стремится к максимуму, сила стремится к нулю...

17 12 2022 2:35:24

Правила соревнований

Правила соревнований  Правила соревнований определяют состав судейской коллегии и должностные обязанности ее члeнов во время проведения соревнований...

16 12 2022 20:51:32

Рецепторы органов-мишеней

Рецепторы органов-мишеней  Рецепторы могут быть встроены в наружную мембрану клеток (рецепторы катехоламинов), во внутренние органоиды (рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов)...

15 12 2022 9:48:24

Четвертый этап – этап максимальной реализации индивидуальных возможностей

Четвертый этап – этап максимальной реализации индивидуальных  возможностей  Так мужчинам, специализирующиеся в плавании на дистанции 100, 200 м...

14 12 2022 12:51:32

Выводы

Выводы  Магнус утверждал, что регулярные соревнования в лыжных гонках проводили лапландцы – жители Скандинавии и запада Кольского полуострова...

13 12 2022 11:43:24

Оздоровительное, образовательное и воспитательное значение физических упражнений

Оздоровительное, образовательное и  воспитательное значение физических упражнений  Оздоровительное значение физических упражнений особенно важно при гипокинезии, сердечно-сосудистых заболеваниях и т...

12 12 2022 4:51:11

Воспитание собственно-силовых способностей

Воспитание собственно-силовых способностей  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...

11 12 2022 15:27:32

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...

10 12 2022 17:54:41

Еще:
Спорт -1 :: Спорт -2 :: Спорт -3 ::