Энергетика двигательной деятельности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Энергетика двигательной деятельности

Работа силы

Если на частицу подействовать силой F и переместить ее на расстояние s, то сила совершит работу A = Fs = F s cos(F;s) (угол (F;s) между направлением силы и перемещения рассматривается тогда, когда эти вектора не совпадают по направлению). Единицей измерения работы является Джоуль (в системе СИ) или киловатт-час.

Мощностью называется работа, совершаемая за единицу времени, или W=A/t =Fv. По последней формуле можно определить мощность коротких интенсивных движений (ударов по мячу, боксерских ударов и других ударных действий), когда механическую работу определить трудно, но можно измерить силу и скорость. Единица измерения мощности - ватт (Дж/с) (СИ) или лошадиная сила.

Если тело движется поступательно, то оно обладает запасом кинетической энергии, которые можно определить умножением массы тела на его скорость (mv). Это произведение называют «количеством движения» или импульсом тела. При рассмотрении вращательного движения энергетическую «емкость» можно определить путем умножения момента инерции (J) на угловую скорость (). Это произведение (Q = J) называется кинетическим моментом или запасом энергии вращающегося тела.

Если материальная точка находится в поле (гравитационном, электромагнитном), на нее действует сила F от этого поля, имеющая возможность совершать определенную работу. Этот запас работы, предопределяемый положением точки в поле, является ее потенциальной энергией. Принято считать, что если силы, действующие на материальную точку, совершают положительную работу, то ее потенциальная энергия убывает.

При рассмотрении деформируемого тела часто используют понятие «внутренней потенциальной энергии», которая равна работе деформации, взятой с обратным знаком.

Любое движущееся с поступательной скоростью (V) тело массой m обладает кинетической энергией, равной Ek = (1/2) mv2. Аналогичную формулу можно записать для вращающегося с угловой скоростью твердого тела с центром инерции: Ekвр = (1/2) J2.

Если мы рассматриваем замкнутую систему, т.е. систему, а которую не оказывают влияние внешние силы, то для такой системы справедливо первое начало термодинамики: энергия в заданной замкнутой механической системе сохраняется. Иначе - это закон сохранения энергии. Если на систему действуют внешние силы, и она переходит из одного состояния в другое, то изменение полной механической энергии при этом переходе равно работе внешних сил. В деформируемых телах полная энергия равна сумме внутренней и кинетической энергий. Переход одного вида механической энергии в другой называется рекуперацией механической энергии. Простой пример - вращение гимнаста на перекладине, когда кинетическая энергия вращения переходит целиком в потенциальную ее форму - в верхней точке.

Оценка энергетических показателей деятельности спортсмена осуществляется с использованием различного рода датчиков и тестов. С их помощью можно оценить физическое состояние спортсмена и уровень его потенциальных возможностей.

Энергия: понятия и определения

Энергию можно определить, как способность совершать работу, а работу (А), в свою очередь - как произведение силы (F) на расстояние (S).

Например, если с помощью какой-либо силы поднимают груз массой 1 кг на высоту 1 м, сила эта равна 1 кг, а совершенная механическая работа - 1 м кг. Энергия, затрачиваемая на совершение этой работы (т.е. полезная энергия, не включающая ту, которая затрачивается на преодоление трения или выделяется в виде тепла), тоже составляет 1 м кг.

Груз массой (m) 1 кг, поднятый на высоту (h) 1 м, обладает потенциальной энергией 1 м кг, которая превращается в кинетическую энергию (энергию движения) после того, как груз перестают удерживать и он падает (рис. 35). энергия сила пульсовой колебательный

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 35. Потенциальная энергия поднятого тела массой m на высоту h, которая реализуется при действии силы FT

Таким образом, потенциальная энергия - энергия взаимодействия тел или частей тела. Потенциальная энергия (от латинского potentia - возможность) определяется взаимным расположением тел или частей тела, т.е. расстояниями между ними.

В двигательных действиях происходит превращение одних видов энергии в другие (химической в механическую и тепловую) и преобразование механической энергии (кинетической в потенциальную и наоборот). Изучение источников энергии, путей ее перехода, условий индивидуального использования и ее потерь, необходимо для совершенствования систем движений. Подвод энергии в биомеханическую систему совершается в результате: а) превращения химической энергии в механическую потенциальную напряженной мышцы, б) перехода работы внешних сил в кинетическую энергию биомеханической системы и потенциальную энергию деформированных мышц и перемещаемого тела. Энергия расходуется на: а) производительную работу; б) непроизводительные затраты, связанные с ее превращением и рассеянием энергии; в) преобразование ее при накоплении в растянутой мышце.

Движение тела человека сопровождается изменением его механического состояния; это состояние определяется энергией биомеханической системы. Величина и характер расхода энергии при движениях зависят от особенностей движений. Если происходит расход энергии, необходим и подвод ее. Существует, по меньшей мере, два источника энергии, используемой в движениях.

Первый источник - запасы химической энергии. Этот источник находится в мышцах, других органах и крови. В мышцах происходят химические реакции, и возникает напряжение в сократительных элементах: химическая энергия превращается в механическую - потенциальную энергию упруго деформированных элементов мышц.

Второй источник энергии движений - это механическая энергия внешнего окружения (внешних тел, среды, партнеров и противников). Она передается телу посредством работы внешних сил: а) кинетическая энергия движущихся объектов (например, бросок, выполненный противником в борьбе) и б) потенциальная энергия положения (например, движение вниз при соскоке с перекладины в поле земного тяготения). В этих случаях спортсмен движется пассивно. Все активные движения совершаются благодаря преобразованию потенциальной энергии напряженных мышц в кинетическую энергию звеньев тела и всего тела в целом. Силы тяги мышц совершают работу. Напомним, что работа силы - процесс изменения энергии (состояния). Всегда, когда изменяется количество или форма энергии, это следствие работы сил. Приобретенная энергия не всегда тотчас же расходуется. Неизрасходованная энергия накапливается. Химическая энергия «запасается» благодаря питанию и дыханию человека. Она превращается в механическую (потенциальную) энергию напряженных мышц. Накопление энергии в мышцах происходит и другим путем: когда мышцы растягиваются в уступающей работе, тормозя движение звеньев тела. Кинетическая энергия последних преобразуется в потенциальную энергию упруго деформированных мышц. Наконец, накопление энергии может быть в виде потенциальной энергии тела человека, когда он поднимает себя против сил тяжести.

Возникает вопрос о величине затраты механической энергии тела человека. Естественно, что когда человек двигается, он затрачивает кинетическую энергию на передвижение своего тела и движимых им внешних тел (например, метание спортивного снаряда). Работа против внешних сил идет за счет уменьшения механической энергии тела, с увеличением кинетической энергии внешних тел. Известно что, затраты кинетической энергии бывают производительными (на решение двигательной задачи) и непроизводительными (против вредных сопротивлений, например сил трения, сопротивления воздуха, воды). Возможны затраты кинетической энергии тела, как уже упоминалось, и на превращение ее в потенциальную (например, движение вверх в висе на перекладине после маятникообразного движения вниз). Ранее были названы способы затраты кинетической энергии на накопление потенциальной энергии как в мышцах (рекуперация энергии), так и во всем теле в поле земного тяготения.

При всех превращениях значительная часть энергии превращается в тепловую и рассеивается. Согласно первому закону термодинамики, энергия во Вселенной не создается и не исчезает. Таким образом, если мы сжигаем уголь или дрова в топке паровой машины, то энергия не образуется, а просто превращается из одной формы в другую; в данном примере химическая энергия переходит в тепловую, тепловая в механическую, а механическая идет на совершение работы и в значительной части рассеивается в виде тепла (тепловая диссипация). Из затрат механической энергии не более 1/4 идет на механическую работу (к.п.д. 20-25%). Такова несколько упрощенная схема превращения и преобразования энергии, которая точно также осуществляется и при движениях человека.

Совершаемая человеком механическая работа расходуется на увеличение потенциальной и кинетической энергии самого тела человека, спортивных снарядов и других предметов.

Потенциальная энергия (Еп) и кинетическая в поступательном Ек(пост) и вращательном Ек(вр) движениях определяются по формулам:

Еп = mgh; Ек(пост) = 1/2mv2; Ек(вр) = 1/2J2,

где g = 9,8 м/с2 - ускорение свободного падения, h - высота ОЦТ тела над поверхностью земли, v - линейная скорость тела, - угловая скорость, m - масса тела, J - момент инерции тела.

Реальные спортивные или бытовые движения могут включать и поступательную и вращательную форму перемещения тела и/или его частей. При этом может происходить сложение механической энергии разных видов. Полная энергия тела согласно теореме Кенига (В.Л. Уткин, 1989) равна сумме его потенциальной и кинетической энергии в поступательном и вращательном движениях и может быть выражена уравнением вида:

Еполн = (mgh) + (mv2/2) + (J2/2).

При осуществлении движений, проявлениях мощности и выполнении работы в механическую энергию превращается далеко не вся энергия, большая ее часть подвергается диссипации, например, превращается в тепло. При этом степень тепловых потерь может быть разной. Для оценки эффективности превращения механической энергии рассчитывают коэффициент полезного действия (по аналогии с техническими устройствами), для движений человека это коэффициент механической энергии (КМЭ):

КМЭ = (А/Е) 100%,

где Е - количество метаболической энергии, Дж; А - произведенная работа.

В спортивной практике оценивать эффективность расхода энергии можно косвенным способом, без прямого определения энергозатрат. В качестве такого показателя может служить величина пульсовой стоимости (ПС) метра скорости или единицы темпа движения в циклических локомоциях (например, бег, ходьба, плавание, гребля, коньки, лыжи и др.). Ее вычисляют по формуле:

ПС = [ЧСС (мин-1)]/V(м с-1),

где ЧСС - частота сердечных сокращений за минуту, V - скорость движения.

В настоящее время возможности контроля пульсовой стоимости работы значительно увеличились благодаря применению портативных, удобных и многофункциональных мониторов сердечного ритма или пульсометров, например, приборы популярных фирм: Sigma, Garmin, Polar и др.

Лабораторные исследования и расчеты показали, что коэффициент полезного действия при работе мышц как «химических машин» не превышает 22% (Р. Александер, 1970). Обычно такие определения производят с помощью велоэргометра. С помощью этого прибора также можно определить максимальную мощность работы. Было показано, что она достигает 40 Вт на 1 кг мышечной ткани. На таком уровне она может оставаться лишь короткое время, так как мышцы не могут получить кислород с необходимой скоростью. В качестве примера можно привести затраты энергии велосипедиста при езде на треке или на ровном шоссе без перепада высот. Суммарная мощность преодолеваемых физических сил на скорости 13 м/с (46,8 км/час) составляет:

W = Wa + Wr + N = 315 + 30 + 115 = 470 Вт (при КПД =23 %, VO2 = 6,7 л/мин).

За счет применения аэродинамичной посадки можно снизить мощность до 350 Вт, или потребления кислорода 4,7 л/мин (Селуянов В.H. и др., 1990). Повысить коэффициент полезного действия мышечной системы в реальных движениях можно при использовании энергии упругой деформации. При этом происходит накопление ее в одних фазах движения (например, фаза амортизации в беге) и использование в других, например, в фазе отталкивания.

Эффективно происходит накопление энергии в возвратных движениях. Они включают фазу прямого движения (с торможением) - подготовительную и фазу обратного движения (с разгоном) - рабочую, которые разделены критической точкой на траектории. Возвратные движения характеризуются сменой направления движения на противоположное (туда - обратно). Обычно и прямое, и обратное движения, каждое состоят из двух фаз: а) прямое - разгона и торможения, б) возвратное - вновь разгона и торможения. Между ними имеется критическая точка - положение, из которого происходит смена направления скорости. Это положение может быть мгновенным (промежуточным в движении); возможна также остановка в этом положении. Нередко возможно и рационально делать возвратное движение, используя криволинейную траекторию. Замах тогда переходит в удар (например, в теннисе) без остановки в движении по кривой, с постепенным переключением активности с одних мышц на другие. Энергетически наиболее целесообразно тормозить звено упругими силами, чтобы лучше использовать «упругую отдачу» мышц. Необходимо только, чтобы растягивание тормозящих мышц делали внешние силы (например, сила тяжести и сила инерции тела в тройном прыжке). Тогда будут использованы силы, не связанные с использованием метаболизма организма. Этим обеспечивается заметная экономия энергия мышечного сокращения иногда до 20-30% (В.М. Зациорский и др., 1982).

При возвратном движении максимальное напряжение движущих мышц включает и активные силы мышечного сокращения и накопленные при подготовке упругие силы. В критической точке положение звеньев (исходная поза) определяет возможные направления и размах движений, силу тяги групп мышц, тормозящих прямое и ускоряющих обратное движения, а также их антагонистов. Последние не должны ни тянуть звено в конце прямого движения, ни тормозить его в начале обратного. Иначе говоря, в рациональных возвратных движениях они должны быть возможно полно расслаблены.

Итак, энергетически целесообразно тормозить звено не включая сократительные элементы; растягивать мышцы только внешними силами; включать сократительные элементы в критической точке; поддерживать активное сокращение только в фазе разгона обратного движения.

Рациональный режим колебательных движений включает упругую отдачу мышц в сочетании с сохранением и резонансным накоплением энергии в мышцах путем совершенствования управления энергетикой. В так называемых циклических движениях, где многократно повторяется одинаковый ряд движений, часто используется колебательный режим. Для него характерна многократная смена повторяющихся возвратных движений (например, движения ног при беге). Подвод энергии совершают сократительные элементы мышцы в критических точках траектории. Тогда каждый новый цикл происходит на более высоком уровне энергии; увеличение кинетической энергии означает повышение скорости. На цикл затрачивается меньше времени, растет темп. Таким образом, например, в беге становится больше скорость продвижения по дорожке. В разбеге благодаря резонансному накоплению энергии повышается мощность. Накопление энергии в мышце обеспечивается параллельными упругими компонентами. Они обладают высоко нелинейной упругостью.

Механизм упругой отдачи мышцы в возвратных движениях дополняется в колебательном режиме резонансным накоплением энергии. Автоматическое включение сократительных элементов в критической точке (автоколебания) повышает эффективность резонанса.

Итак, для лучшего использования мышечной энергии в движениях целесообразно:

растянуть мышцы в подготовительной фазе;

при растягивании мышечных волокон передать им больше кинетической энергии (разогнать звено до большой скорости и резко остановить);

в обратном движении в критической точке своевременно совершить активное сокращение мышцы по принципу автоколебаний, наиболее акцентированное с самого начала («взрывная» сила).

Совершенствование движений, характерных для спортивной техники в одиночных возвратных движениях и в циклических колебательных движениях, имеет много общего. В основе его лежит перестройка биоэнергетики; изменение вклада энергии из разных источников, изменение организации управления энергетикой. Это одно из самых характерных отличий совершенствования биосистем от совершенствования технических механизмов. Как видно, мышца в этом отношении имеет много функций, она выступает как:

1. генератор механической энергии из химической;

2. трансформатор механической энергии (из потенциальной в кинетическую и обратно);

3. аккумулятор упругой энергии в мышце (в резонансном режиме);

4. движитель, передающий механические усилия звеньям тела;

5. фиксатор звеньев в суставах (при опорных тягах);

6. регулятор величины и направления скорости (в биодинамически полно связном механизме);

7. демпфер, поглощающий и рассеивающий энергию (при погашающей амортизации);

8. упругий амортизатор (создающий обратное движение в возвратном и колебательном режиме).

Следует упомянуть, что мышца еще и рецептор - она сигнализирует в мозг о положении и перемещении звена. Без этого невозможно полноценное управление позами и движениями тела и его частей. Превращая химическую и механическую энергию в тепловую (и рассеивая ее), мышца еще участвует и в терморегуляции тела.

Заключение

Рассмотрены вопросы механической энергии тела. Энергия - (др.-греч. ?нЭсгейб - «действие, деятельность, сила, мощь») - скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Энергия (E) имеет размерность, равную:

Силе, умноженной на длину - E ~ F·l

Давлению, умноженному на объём - E ~ P·V

Импульсу, умноженному на скорость - E ~ p·v

Массе, умноженной на квадрат скорости - E ~ m·vІ

Мощности, умноженной на время - E ~ N·t

В движениях человека проявляются все четыре типа механической энергии:

Кинетическая энергия поступательного движения;

Кинетическая энергия вращательного движения;

Потенциальная энергия поднятого тела;

Потенциальная энергия упругой деформации тела.

Литература

1. Донской Д.Д. Законы движений в спорте: Очерки по структурности движений.- М.: Физкультура и спорт, 1968. - 176 с.

2. Донской Д.Д., Зациорский В.М. Биомеханика: Учебник для институтов физической культуры. - М.: Физкультура и спорт, 1979. - 264 с.

3. Уткин В.Д. Биомеханические аспекты спортивной практики. - М.: Физкультура и спорт, 1984.

4. Зациорский В. М., Арутин А. С, Селуянов В. Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. -М.: Физкультура и спорт, 1981. - 143 с.

Размещено на Allbest.ru