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:
Лекции о гормонах
...
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...
08 10 2026 2:18:30
Поэтому, чем меньше срок, на который составляется план, тем он более конкретный и детализированный...
07 10 2026 7:45:51
В спортивных играх, единоборствах и других видах спорта в основном встречаются следующие способы проведения соревнований: круговой, отборочно-круговой, смешанный и способ прямого выбывания...
06 10 2026 20:29:41
В частности энергозатраты идут:
• на основной обмен;
• активность физиологических систем (прежде всего дыхательной и циркуляторной) при мышечной деятельности;
• активность мышц, не участвующих в движении, но обеспечивающих поддержание равновесия, сохранения позы и т...
05 10 2026 12:15:30
Главным побочным эффектом применения этого препарата является развитие гипергликемии, расширение внутренних органов, увеличения языка, утолщение и огрубление кожи...
03 10 2026 16:43:27
В это время проводятся педагогические наблюдения, контрольные испытания, медико-биологические и психологические исследования с целью дальнейшего определения сильных и слабых сторон подготовленности занимающихся...
02 10 2026 13:16:39
> Газообмен между легкими и окружающей средой осуществляется за счет вдоха и выдоха. При вдохе объем легких увеличивается, давление в них становится ниже атмосферного, и воздух поступает в дыхательные пути. Этот процесс носит активный характер и обусловлен сокращением наружных межреберных мышц и опусканием (сокращением) диафрагмы, в результате чего объем легких возрастает на 250-300 мл. Во время выдоха объем грудной клетки уменьшается, воздух в легких сжимается. Давление в них становится выше атмосферного, и воздух выходит наружу. Выдох в спокойном состоянии осуществляется пассивно за счет тяжести грудной клетки и расслабления диафрагмы. Форсированный выдох происходит вследствие сокращения внутренних межреберных мышц, частично – за счет мышц плечевого пояса и брюшного пресса. Важное значение для осуществления вдоха и выдоха имеет герметически замкнутая плевральная полость (щель), образованная висцеральным и париетальным листками плевры и защищенная небольшим количеством жидкости. Давление в плевральной полости ниже атмосферного, которое еще больше снижается при вдохе, способствуя поступлению воздуха в легкие. При попадании воздуха или жидкости в плевральную полость легкие спадаются за счет их эластической тяги. Дыхание становится невозможным и развивается – пневмоторакс.
...
30 09 2026 19:47:30
Собственно-силовые способности – хаpaктеризуются тем, что основную роль в их проявлении играет активация процессов максимального и околомаксимального мышечного напряжения...
28 09 2026 21:54:29
В процессе физического воспитания используются две группы методов: специфические методы и общепедагогические методы...
27 09 2026 16:47:35
Принцип целостности, упорядоченности - означает достижение единства и взаимосвязи всех компонентов педагогического процесса...
26 09 2026 16:45:56
Фактически именно с них начинается вся система выведения желчи в кишечник...
25 09 2026 0:17:40
Главными адаптирующими факторами при этом являются объём и интенсивность специфических тренировочных нагрузок, приближённых к соревновательным, а в некоторых фрагментах и превышающих их...
24 09 2026 6:12:21
Такие занятия пpaктически исключают опасность возникновения нарушений в деятельности сердечно-сосудистой системы...
23 09 2026 2:34:12
Силы сопротивления очень зависят от формы тела и возрастают при увеличении скорости его движения относительно среды...
22 09 2026 4:42:32
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
21 09 2026 10:13:17
Этапное планирование в спорте обычно имеет продолжительность от 1 – 1...
20 09 2026 16:35:10
Профессиональная ориентация – это процесс ознакомления учащегося с различными профессиями и оказания им помощи в выборе профессии в соответствии со склонностями и способностями...
19 09 2026 23:33:32
Вероятно, самой первой силой, существование которой осознал человек, являлась сила притяжения, действующая на тела со стороны Земли...
18 09 2026 0:57:31
На первом и втором этапах многолетней подготовки (13 – 16 лет) тактическое совершенствование является второстепенной задачей, так как решаются лишь наиболее общие вопросы тактической подготовки, относящиеся к теоретической и пpaктической части совершенствования...
17 09 2026 17:41:41
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
Цели ФВ: 1) физическое совершенствование; 2) здоровье; 3) формирование привычек здорового образа жизни...
15 09 2026 9:24:24
> Нагрузки, применяемые в спорте
Тренировочные и соревновательные нагрузки
« Внешняя» и «внутренняя» стороны тренировочной нагрузки
Взаимосвязь нагрузок с внешней и внутренней стороны
Характер и направленность тренировочных нагрузок
Компоненты тренировочных нагрузок, определяющие направленность и величину воздействия
...
14 09 2026 14:16:39
Педагогический контроль осуществляется тренером, преподавателем...
12 09 2026 9:47:15
>
...
К ним относятся: брюшной тиф, дизентерия, сальмонеллезы, холера, инфекционный гепатит, полиомиелит, туляремия, лептоспирозы...
10 09 2026 22:42:12
А у девочек происходит интенсивное увеличение роста в 11-12 лет, в среднем на 7 см...
09 09 2026 6:31:52
align="right"> Раздел статьи:
Афофкис раздел « Репродуктивные функции»
...
08 09 2026 7:45:12
> В процессе практической работы тренер должен:• в равной мере уделять внимание всем членам группы (команды), независимо от их возможностей;• сочетать коллективные и индивидуальные тренировки;• оценивать результаты воспитанников, показанные на тренировках и соревнованиях;• быть достаточно гибким в своих требованиям, но не поступаться убеждениями, идти на компромисс;• обладать хорошими профессиональными знаниями по спортивной тренировке, по технике и тактике И В С, по физиологии, биохимии, биомеханике, спортивной медицине, по психологии и педагогике («... ученики простят своим учителям и строгость, и сухость, и даже придирчивость, но не простят плохого знания своего дела» ( А. С. Макаренко));• ставить перед спортсменами реальные цели, прогнозировать будущие результаты;• разговор об ошибках вести мягко, вежливо, иногда часть вины за плохой результат взять на себя;• в беседах использовать в основном положительные установки на предстоящие старты;• помогать спортсмену извлекать уроки из неудачных стартов, находя причины неудач;• не бояться совершать ошибки, главное вовремя их исправить;• не опекать спортсменов на каждом шагу – это снижает их уверенность в своих силах;• не навязывать свое мнение, а убеждать. Основные компоненты профессиональной тренерской деятельности:1) руководствоваться интересами дела, общества;2) наблюдательность и обдуманность в отношениях и поведении;3) знание своего вида спорта;4) трудолюбие;5) разумная требовательность и тренерский такт.
...
07 09 2026 18:34:58
Подводить спортсмена к параметрам тренировочной работы, хаpaктерным для этапа подготовки к высшим достижениям необходимо постепенно, на протяжении ряда лет (8 – 10 лет)...
06 09 2026 14:25:12
Областные советы ДСО профсоюзов, СО «Динамо», ДСО «Трудовые резервы» делегировали своих лучших юных спортсменов для обучения в ШИСП, что способствовало росту спортивных результатов...
05 09 2026 0:19:23
Другие соревнования могут носить отборочный или контрольный хаpaктер, решать разнообразные технико-тактические задачи, задачи приобретения соревновательного опыта...
04 09 2026 7:25:33
Чем шире круг двигательных умений и навыков, освоенных спортсменом, тем благоприятнее предпосылки для образования новых форм двигательной деятельности и совершенствования освоенных ранее...
03 09 2026 1:21:31
Каналы и полости височной кости образуют костный лабиринт вестибулярного аппарата и частично перепончатый лабиринт...
02 09 2026 4:27:42
Такая мышца не может считаться вполне здоровой...
01 09 2026 12:53:24
align="right"> Раздел статьи:
Лекции о гормонах
...
align="right"> Раздел статьи:
Введение в педагогику
...
29 08 2026 11:13:55
Структура педагогического мастерства
1...
28 08 2026 12:19:18
В конце этой стадии наблюдается необходимая гипертрофия органов, слаженность деятельности различных звеньев и механизмов, обеспечивающих эффективную деятельность функциональной системы в новых условиях...
27 08 2026 18:12:19
Тело человека не могло бы выполнять разнообразные двигательные функции, если бы отсутствовала опopная конструкция – костный скелет, который формируют порядка 206 костей...
26 08 2026 12:33:22
Неусвояемые – балластные, пищевые волокна, играют огромную роль в поддержании нормальной регуляции пищеварения...
25 08 2026 6:49:31
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...
24 08 2026 8:28:31
Сила трения – это диссипирующая сила, работа против которой требует необходимых затрат энергии со стороны спортсмена, уменьшая тем самым энергозатраты на полезный результат движения...
23 08 2026 19:57:53
Кривая нарастания силы при однократном «взрывном» усилии с последующим немедленным расслаблением имеет вид, показанный на рис...
22 08 2026 1:57:43
Еще:
Спорт и здоровье -1 :: Спорт и здоровье -2 :: Спорт и здоровье -3 :: Спорт и здоровье -4 ::
