Потенційна і кінетична енергія. Поняття «механічна робота. . opace.

17.09.2015

Потенційна і кінетична енергія. Поняття «механічна робота»

М’язи, що приводять у рух ланки тіла, здійснюють механічну роботу.

Робота у певному напрямку – це добуток сили (F), що діє в напрямку переміщення тіла на пройдений ним шлях (S): А = F • S.

Виконання роботи вимагає енергії. Отже, при виконанні роботи енергія в системі зменшується. Оскільки для того, щоб була здійснена робота, необхідний запас енергії, останню можна визначити наступним чином: Енергія – це можливість зробити роботу, це деяка міра наявного в механічній системі « ресурсу» для її виконання. Крім того, енергія – це міра переходу одного виду руху на інший.

У біомеханіці розглядають такі основні види енергії :

• потенційна, що залежить від взаємного розташування елементів механічної системи тіла людини;

• кінетична поступального руху;

• кінетична обертального руху;

• потенційна деформації елементів системи;

• теплова;

• обмінних процесів.

Повна енергія біомеханічної системи дорівнює сумі всіх перерахованих видів енергії.

Піднімаючи тіло, стискаючи пружину, можна накопичити енергію у формі потенційної для подальшого її використання. Потенційна енергія завжди пов’язана з тією або іншою силою, що діє з боку одного тіла на інше. Наприклад, Земля силою тяжіння діє на падаючий предмет, стиснута пружина – кулька, натягнута тятива – на стрілу.

Потенційна енергія – це енергія, якою володіє тіло завдяки своєму становищу по відношенню до інших тіл, або завдяки взаємному розташуванню частин тіла .

Стало бути сила тяжіння і пружна сила є потенційними.

Гравітаційна потенційна енергія: Еп = m • g • h

Потенційна енергія пружних тіл: Потенційна і кінетична енергія. Поняття «механічна робота. . opace.
, де k – жорсткість пружини; х – її деформація.

З наведених прикладів видно, що енергію можна накопичити у формі потенційної енергії (підняти тіло, стиснути пружину) для подальшого використання.

У біомеханіці розглядають та враховують два види потенційної енергії: обумовлену взаємним розташуванням ланок тіла до поверхні Землі (гравітаційна потенційна енергія); пов’язану з пружною деформацією елементів біомеханічної системи (кістки, м’язи, зв’язки) або яких-небудь зовнішніх об’єктів (спортивних снарядів, інвентарю).

Кінетична енергія запасається в тілі при русі. Рухоме тіло здійснює роботу за рахунок її зменшення. Оскільки ланки тіла і тіло людини здійснюють поступальний і обертальний рухи, сумарна кінетична енергія (Єк) буде дорівнює: Потенційна і кінетична енергія. Поняття «механічна робота. . opace.
, де m – маса, V – лінійна швидкість, J – момент інерції системи, ? – кутова швидкість.

Енергія надходить в біомеханічну систему за рахунок протікання в м’язах метаболічних обмінних процесів. Зміна енергії, у результаті якого відбувається робота, не є високоефективним процесом в біомеханічної системи, тобто не вся енергія переходить в корисну роботу. Частина енергії втрачається безповоротно, переходячи в тепло: тільки 25 % використовується для виконання роботи, інші 75% перетворюються і розсіюються в організмі.

Для біомеханічної системи застосовують закон збереження енергії механічного руху у формі:

Епол = Ек + Епот + U,

де Епол – повна механічна енергія системи; Ек – кінетична енергія системи; Епот – потенційна енергія системи; U – внутрішня енергія системи, що представляє в основному теплову енергію.

Повна енергія механічного руху біомеханічної системи має в своїй основі два наступні джерела енергії: метаболічні реакції в організмі людини і механічна енергія зовнішнього середовища (які деформуються елементів спортивних снарядів, інвентарю, опорних поверхонь; супротивників при контактних взаємодіях). Передається ця енергія допомогою зовнішніх сил.

Особливістю енергопродукції в біомеханічної системи є те, що одна частина енергії при русі витрачається на здійснення необхідного рухового дії, інша йде на необоротне розсіювання запасеної енергії, третя зберігається і використовується при подальшому русі. При розрахунку витрачається при рухах енергії та чиненої при цьому механічної роботи тіло людини представляють у вигляді моделі багатоланковий біомеханічної системи, аналогічної анатомічній будові. Руху окремої ланки і руху тіла в цілому розглядають у вигляді двох більш простих видів руху: поступального і обертального.

Повну механічну енергію деякого i-го ланки (Епол) можна підрахувати суму потенційної (Епот) і кінетичної енергії (Ек). У свою чергу Єк можна представити як суму кінетичної енергії центру мас ланки (Єк.ц.м.), в якій зосереджена вся маса ланки, і кінетичної енергії обертання ланки щодо центру мас (Єк. Вр.).

Якщо відома кінематика руху ланки, це загальний вираз для повної енергії ланки буде мати вигляд: Потенційна і кінетична енергія. Поняття «механічна робота. . opace.
, де mi – маса i-го ланки; g – прискорення вільного падіння; hi – висота центру мас над деякими нульовим рівнем (наприклад, над поверхнею Землі в даному місці);Потенційна і кінетична енергія. Поняття «механічна робота. . opace.
— швидкість поступального руху центра мас; Ji – момент інерції i — го ланки відносно миттєвої осі обертання, що проходить через центр мас; ? – миттєва кутова швидкість обертання відносно миттєвої осі.

Робота по зміні повної механічної енергії ланки (Аі) за час роботи від моменту t1 до моменту t2 дорівнює різниці значень енергії в кінцевий (Еп(t2)) і початковий (Еп(t1)) моменти руху: Потенційна і кінетична енергія. Поняття «механічна робота. . opace.

Звісно, в даному випадку робота затрачається на зміну потенційної і кінетичної енергії ланки.

Якщо величина роботи Аі > 0, тобто енергія збільшилася, то кажуть, що над ланкою здійснена позитивна робота. Якщо ж Аі < 0, тобто енергія ланки зменшилася, - негативна робота.

Режим роботи по зміні енергії даного ланки називається преодолевающим, якщо м’язи здійснюють позитивну роботу над ланкою; поступливим, якщо м’язи здійснюють негативну роботу над ланкою.

Позитивна робота здійснюється, коли м’яз скорочується проти зовнішнього навантаження, йде на розгін ланок тіла, тіла в цілому, спортивних снарядів і т. д. Негативна робота здійснюється, якщо м’язи протидіють розтягування за рахунок дії зовнішніх сил. Це відбувається при опусканні вантажу, спуску по сходах, протидію силу, що перевищує силу м’язів (наприклад в армрестлінгу).

Помічені цікаві факти співвідношення позитивної та негативної робіт м’язів: негативна робота м’язів економічніше позитивною; попереднє виконання негативної роботи підвищує величину і економічність наступної за нею позитивної роботи.

Чим більше швидкість пересування тіла людини (під час легкоатлетичного бігу, бігу на ковзанах, бігу на лижах тощо), тим більша частина робіт витрачається не на корисний результат — переміщення тіла в просторі, а на переміщення ланок щодо ОЦМ. Тому при швидкісних режимах основна робота витрачається на розгін і гальмування ланок тіла, так як з ростом швидкості різко зростають прискорення руху ланок тіла.

Короткий опис статті: кінетична енергія

Джерело: Потенційна і кінетична енергія. Поняття «механічна робота» | opace.uk

Також ви можете прочитати