Момент инерции тела человека и его влияние на движение в спорте сообщение

Обновлено: 02.05.2024

Физическое тело, взаимодействуя с другими телами, может изменить свое движение. Если же никакого взаимодействия с другими телами нет, то нет приложенных к телу сил и движение его не изменяется (в инерциальной системе отсчета).

Ускорение (как мера изменения скорости) возникает только при действии других тел, когда приложены силы. В природе невозможно движение вне воздействия других тел, поэтому способность сохранять движение проявляется как способность к его изменению (ускорению) под действием силы, причем постепенному и различному для разных тел.

Инертность характеризует определенные черты поведения тел, показывает, как сохраняется движение, как оно изменяется под действием сил — быстрее или медленнее.

Закон инерции, открытый еще Галилеем и сформулированный Ньютоном, описывает свойство материальной точки и тел, движущихся поступательно. Он по своей сути применим и для тел, движущихся вращательно.

Биомеханические системы также подчиняются этому закону. Для изменения вращательного движения системы тел при некоторых условиях (без опоры) действия других внешних тел не требуется, однако закон инерции и здесь не нарушается (см. гл. VIII).

1.2. Масса тела

Масса — это мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется при движении материальной точки и поступательном движении тела или системы тел отношением величины приложенной силы к величине вызываемого ею ускорения:

Измерение массы в этом случае основывается на 2-м законе Ньютона 2 . Масса здесь — коэффициент пропорциональности между силой и ускорением.

Если к одному и тому же телу приложены разные силы, то изменения его движения будут различными. Отношение же силы к вызываемому ею ускорению в каждом случае постоянно — оно равно его массе:

Для решения ряда задач мало знать, какова величина массы тела, надо учитывать, как распределены в теле материальные частицы, обладающие массами. Это отчасти характеризуется положением центра масс, или центра тяжести.

1.3. Момент инерции тела

Момент инерции — это мера инертности тела относительно оси при вращательном движении (реальном или воображаемом) вокруг этой оси 3 . Момент инерции количественно равен сумме моментов инерции частиц тела — произведений масс частиц на квадраты их расстояний от оси вращения: J=mr 2

Когда частицы тела находятся дальше от оси вращения, то угловое ускорение тела под действием того же момента силы меньше; если частицы ближе к оси, то угловое ускорение больше. Значит, если приблизить тело (все в целом или его части) к оси, то легче вызвать угловое ускорение, легче разогнать тело во вращении, легче и остановить его. Этим пользуются при движении вокруг оси.

Найдя опытным путем момент инерции тела, можно рассчитать радиус инерции, на величине которого отражается распределение частиц в теле относительно данной оси.

Радиус инерции — это сравнительная мера инертности данного тела относительно его разных осей. Он измеряется корнем квадратным из отношения момента инерции относительно данной оси

к массе тела: R=J/m

Количественное определение моментов инерции в биомеханике не всегда достаточно точно. Но для понимания физических основ движений человека учитывать эту характеристику необходимо.

2.СИЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1. Сила

Сила — это мера механического воздействия одного тела на другое. Численно она определяется произведением массы тела на его ускорение, вызванное приложением этой силы: F=ma;

Таким образом, измерение силы, как и измерение массы, основано на 2-м законе Ньютона. Поскольку этот закон раскрывает зависимости в поступательном движении, то и сила как вектор определяется только в случае такого простейшего вида движения по массе и ускорению,

Источники сил. Уже указывалось, что ускорение зависит от системы отсчета. Поэтому и сила, определяемая по ускорению, тоже зависит от системы отсчета. В инерциальной системе отсчета источником силы для данного тела всегда служит другое материальное тело. Коль скоро взаимодействуют два материальных объекта, то в этих условиях проявляется 3-й закон Ньютона 3 .

Если на одно тело действует другое тело, то оно изменяет движение первого. Но и первое тело в этом взаимодействии также изменяет движение другого. Обе силы приложены к разным объектам, каждая проявляет соответствующий эффект. Их нельзя заменить одной равнодействующей, поскольку они приложены к разным объектам. Именно поэтому они друг друга и не уравновешивают.

Измерение сил. Применяется статическое измерение силы, т. е. измерение при помощи уравновешивающей силы (когда ускорение равно нулю), и динамическое — по ускорению, сообщаемому телу ее приложением.

При статическом действии силы на данное тело (М) действуют два тела (А и В); всего имеется три материальных объекта (рис. 23, а). Силы F_а и f _в , приложенные к телу М, равны по величине и противоположны по направлению, они взаимно уравновешиваются. Их равнодействующая равна нулю. Ускорение, вызванное ими, также равно нулю. Скорость не изменяется (остается постоянной — равномерное движение или относительная неподвижность).

Силу fa, действующую статически, можно измерить уравновешивающей ее силой f _в .

Рассмотрим три случая проявления статического действия силы, когда все тела неподвижны —

а)гимнаст в висе на перекладине; опорная реакция уравновешивает силу тяжести тела (G);

б) уравновешенное тело движется перпендикулярно уравновешенной силе тяжести — конькобежец скользит по льду; опорная реакция уравновешивает силу тяжести тела (G); последняя прямо не влияет на скорость скольжения;

в) уравновешенное тело по инерции движется по направлению действия уравновешенной силы; горнолыжник скользит с постоянной скоростью по склону; силы сопротивления (воздуха и трения лыж по снегу — Q) уравновешивают скатывающую составляющую силы тяжести (G). Во всех трех случаях вне зависимости от состояния покоя или направления движения тела уравновешенная сила не изменяет движения; скорости в направлении ее действия постоянны.

Следует подчеркнуть, что во всех случаях статическое действие силы вызывает деформацию тела.

При динамическом действии силы на данное тело М действует неуравновешенная сила. В задачах по теоретической механике часто рассматривается лишь эта одна движущая сила, как мера действия лишь одного движущего тела.

Движущая сила — это сила, которая совпадает с направлением движения (попутная) или образует с ним острый угол и при этом может совершать положительную работу (увеличивать энергию тела).

Однако в реальных условиях движений человека всегда существует среда (воздух или вода), действуют опора и другие внешние тела (снаряды, инвентарь, партнеры, противники и др.). Все они могут оказывать тормозящее действие. Более того, ни одного реального движения без участия тормозящих сил просто не бывает.

Тормозящая сила направлена противоположно направлению движения (встречная) или образует с ним тупой угол. Она может совершать отрицательную работу (уменьшать энергию тела).

Часть движущей силы, равная по величине тормозящей уравновешивает последнюю — это уравновешивающая сила (Fyp).

Избыток же движущей силы над тормозящей — ускоряющая сила (Fуск) — вызывает ускорение тела с массой m согласно 2-му закону Ньютона (Fy=ma).

Следовательно, скорость не остается постоянной, а изменяется, т. е. возникает ускорение. Это и есть динамическое действие силы F.

Силу F_уск, действующую динамически, можно измерить по массе тела и его ускорению.

Классификация сил. Силы, которые, изучают при анализе движений человека, в зависимости от общих признаков делятся на группы. По способу взаимодействия тел все силы делятся на д и с т а н т н ы е, возникающие на расстоянии без непосредственного соприкосновения тел, и контактные, которые возникают лишь при соприкосновении тел.

К дистантным силам в механике относят силы всемирного тяготения, из которых в биомеханике изучаются силы земного тяготения, проявляющиеся в силах тяжести. Контактные силы включают упругие силы и силы трения.

По влиянию на движение различают силы а к т и в н ы е (или задаваемые) и реакции связи. Напоминаем, что связи —это ограничения движения объекта, осуществляемые другими телами. Сила, с которой связь противодействует движению, и представляет собою реакцию связи. Она заранее неизвестна и зависит от действия на тело других сил и движения самого тела.

Реакции связи сами по себе не вызывают движения, они только противодействуют активным силам или уравновешивают их. Если же реакции связи не уравновешивают активных сил, тогда и начинается движение под действием последних.

По источнику возникновения относительно системы (например, тела человека) силы различают в н е ш н и е, вызванные действием тел внешних относительно системы, и внутренние, вызванные взаимодействиями внутри системы. Это деление необходимо при определении возможностей действия тех или иных сил. Одну и ту же силу следует считать внешней или внутренней в зависимости от того, относительно какого объекта мы ее рассматриваем.

По способу приложения силы в механике делят на сосредоточенные, приложенные к телу в одной точке, и распределенные. Последние делят на поверхностные и объемные.

Поскольку в биомеханике особенно важно взаимодействие тела человека с внешним окружением, вызываемое движениями частей тела, далее будут подробно рассмотрены силы внешние и внутренние относительно системы (тела человека). Взаимодействие физических объектов — главная причина изменения движений. Поэтому мере взаимодействия — силе — в биомеханике уделяется особое внимание.

2.2. Момент силы

Момент силы — это мера механического воздействия, способного поворачивать тело (мера вращающего действия силы). Он численно определяется произведением модуля силы на ее плечо (расстояние от центра момента 1 до линии действия силы):

Момент силы имеет знак плюс, если сила сообщает вращение против часовой стрелки, и минус при обратном его направлении.

Вращающая способность силы проявляется в создании, изменении или прекращении вращательного движения.

Полярный момент силы (момент силы относительно точки) может быть определен для любой силы относительно этой точки (О) (центр момента). Если расстояние от линии действия силы до избранной точки равно нулю, то и момент силы равен нулю. Следовательно, расположенная таким образом сила не обладает вращающей способностью относительно этого центра. Площадь прямоугольника (Fd) численно равна модулю момента силы.

Когда несколько моментов силы приложено к одному телу, их можно привести к одному моменту — главному моменту.

Для определения вектора момента силы 1 надо знать: а) м о д у л ь момента (произведение модуля силы на ее плечо); б) плоскость поворота (проходит через линию действия силы и центр момента) и в)направление поворота в этой плоскости.

Осевой момент силы (момент силы относительно оси) может быть определен для любой силы, кроме совпадающей с осью, ей параллельной или ее пересекающей. Иначе говоря, сила и ось не должны лежать в одной плоскости.

Применяют статическое измерение момента силы, если его уравновешивает лежащий в той же плоскости равный ему по модулю и противоположный по направлению момент другой силы относительно того же центра момента (например, при равновесии рычага). Моменты сил тяжести звеньев относительно их проксимальных суставов называют статическими моментами звеньев.

Применяют динамическое измерение момента силы, если известны момент инерции тела относительно оси вращения и его угловое ускорение. Как и силы, моменты сил относительно центра могут быть движущими и тормозящими, а стало быть, и уравновешивающими, ускоряющими и замедляющими. Момент силы может быть и отклоняющим — отклоняет в пространстве плоскость поворота.

При всех ускорениях возникают силы инерции: при нормальных ускорениях — центробежные силы инерции, при касательных ускорениях (положительных или отрицательных) — касательные силы инерции. Центробежная сила инерции направлена по радиусу вращения и не имеет момента относительно центра вращения. Касательная же сила инерции приложена для твердого звена в центре его качаний. Таким образом, имеется момент силы инерции относительно оси вращения.

2.3. Действие силы

Сила, приложенная к телу, если она не уравновешена, изменяет его движение 2 .

Меры действия силы могут быть определены: а) с учетом промежутка времени ее действия — импульс силы — или б) с учетом пути ее действия — работа силы. Обе эти меры как бы взаимно дополняют друг друга, отражая действие силы во времени и в пространстве.

Импульс силы — это мера механического воздействия на тело со стороны других материальных объектов за данный промежуток времени. Он равен в поступательном движении произведению силы на время ее действия: S=Ft

Работа силы —это мера механического воздействия на тело со стороны других материальных объектов на данном пути. Она равна в поступательном движении произведению модулей той составляющей силы, которая действует в направлении движения, и перемещения точки приложения силы: A=Fs

В случае если сила направлена под углом к перемещению, надо произведение модулей силы и перемещения помножить еще на косинус угла между их направлениями. Работа силы положительная, когда этот угол острый, и, следовательно, сила ускоряет движение. Работа силы отрицательная, если угол тупой и сила замедляет движение. При прямом угле косинус равен нулю и работа равна нулю: сила работы не совершает.

Соответственно различают меры изменения движения, как результата действия силы: а) количество движения тела и б) кинетическую энергию тела.

Количество движения тела — это мера поступательного движения, характеризующая его способность передаваться от одного тела к другому в виде механического же движения. Количество движения тела определяется при поступательном его движении произведением массы тела и его скорости: K=mv

Изменение количества движения за промежуток времен и равняется суммарному импульсу сил, приложенных к телу на том же промежутке времени.

Можно сказать, что количество движения тела — это мера его способности двигаться в течение некоторого времeни против, действия тормозящей силы.

Кинетическая энергия тела 1 — это мера механического движения, характеризующая его способность превращаться в потенциальную энергию или другие виды энергии. Кинетическая энергия тела равна при поступательном движении половине произведения массы тела на квадрат его скорости: E k =mv 2 /2

Изменение кинетической энергии тела на некотором пути перемещения равняется работе приложенных к нему сил на этом же пути. Следовательно, совершенная работа равна приращению кинетической энергии.

Можно сказать, что кинетическая энергия тела — это мера его способности проходить некоторый путь против действия тормозящей силы.

Теперь посмотрим, как действуют силы и какой эффект они вызывают во вращательном движении, характерном для звеньев тела человека. Зависимости мер изменения движения от мер действия сил во вращательном движении по физической сущности такие же, как и в поступательном.

Импульс момента силы характеризует действие силы, а вызванное им изменение движения измеряется кинетическим моментом (моментом количества движения).

Импульс момента силы — это мера механического воздействия на тело других объектов (во вращательном движении) за данный промежуток времени. Импульс момента равен произведению момента силы и длительности его действия: S_z=M_z(F)t;

В случае переменного момента силы нужно суммировать элементарные импульсы моментов сил относительно некоторого центра.

Кинетический момент (момент количества движения) — это мера вращательного движения, характеризующая его способность передаваться от одного тела к другому в виде механического же движения. Кинетический момент равен произведению момента инерции относительно оси вращения и угловой скорости тела: K_z=J

Определения работы момента силы и кинетической энергии вращательного движения аналогичны определениям соответствующих величин для поступательного движения. Только вместо массы в уравнения входит момент инерции и вместо линейных перемещения и скорости — угловые.

Если скорость и ускорение служат кинематическими мерами изменения движения, то количество движения (а также кинетический момент) и кинетическая энергия — динамическими мерами изменения движения.

Следует подчеркнуть, что, хотя в характеристиках поступательного и вращательного движений немало общего, меры их (кинематические и динамические) все (кроме временных) различны.

Для того чтобы отнести силы к внешним или внутренним, надо установить прежде всего, относительно какой системы объектов эти силы рассматриваются. В биомеханике такой системой, естественно, считают тело человека. Но иногда бывает целесообразно расширить систему (например, велосипедист — велосипед) или ограничить ее (например, тело прыгуна в воду рассматривают как две связанные системы — верхнюю и нижнюю половины по весу тела. Тяги мышц, соединяющих эти системы, можно рассматривать как внешние дли них силы).

Цель: освоить методику определения инерционности тела на опоре по показателям момента инерции.

Момент инерции - это мера, характеризующая степень инертности тела при вращательных движениях, т.е. способности тела сохранять свое состояние покоя или равномерного вращательного движения. Момент инерции равен сумме произведений масс материальных точек тела на квадрат расстояния от соответствующих точек до оси вращения:

где: J_С - момент инерции тела спортсмена относительно точки С, кг.м 2 ;

m_i - масса i-го звена тела, кг;

r_i - расстояние от центра масс i-го звена до точки С, м.

1. Записать абсолютные массы звеньев тела (кг) в таблицу 1. Сумма всех абсолютных масс звеньев тела равна массе тела М.

2. Измерить расстояние от центра масс каждого звена до ОЦМ тела (мм), и записать полученные данные в соответствии с масштабом в таблицу 1.

3. Вычислить квадрат расстояний от центра масс каждого звена до левого ОЦМ тела. Полученные данные занести в таблицу 1.

4. Вычислить моменты инерции каждого звена тела спортсмена относительно ОЦМ по формуле:

5. Вычислить момент инерции тела спортсмена J_С относительно ОЦМ, просуммировав моменты инерции всех звеньев.

6. При выведении из равновесия (опрокидывании) центром вращения тела является одна из крайних точек опоры тела в данной статической позе. Вычислить момент инерции J_A тела спортсмена относительно левой и правой точек опоры тела по формуле:

где - расстояние от точки вращения A до ОЦМ и от В до ОЦМ.

7. Оценить инерционность тела, сравнив моменты инерции тела относительно крайних точек опоры тела (левой и правой) и сделать выводы.

Момент инерции тела есть мера инертности тела при вращательном движении.

Моментом инерции модели (системы тел) относительно некоторой оси называется физическая величина, равная сумме произведений масс mi отдельных звеньев (тел) на квадрат их расстояний ri от рассматриваемой оси:

Это означает, что в деформирующейся биомеханической системе тел, когда ее звенья отдаляются от оси вращения, момент инерции системы увеличивается.

Основными факторами, влияющими на момент инерции, являются масса и длина тела. На рис. 38 показана зависимость момента инерции (в условных единицах) от позы тела и положения оси вращения. Как видно, изменением позы можно очень сильно влиять на момент инерции. Например, группировка при выполнении сальто (в) уменьшает момент инерции по сравнению с прямым положением тела (г) в три раза.

Момент инерции тела I₀ относительно оси вращения, проходящей через ЦМ, называется центральным.

При его определении можно воспользоваться данными таблицы 4. Расстояния ri относительно оси вращения О—О определяются просто.

Для звеньев тела, расположенных выше оси:

для остальных звеньев, расположенных ниже оси:

Центральный момент инерции модели:

В других случаях предварительно следует вычертить рабочую модель в масштабе и произвести предварительные расчеты.

Момент инерции относительно любой оси, параллельной центральной, можно рассчитать по формуле:

где Ic – искомый момент инерции;

Io – центральный момент инерции;

mi – масса звена;

l – расстояние между осями.

Радиус инерции R_ин – это сравнительная мера инертности данного тела относительно его разных осей. Из выражения для момента инерции относительно данной оси I = MR_ин 2 следует:

где М – масса тела.

Найдя опытным путем момент инерции Io, можно рассчитать радиус инерции R_ин, величина которого характеризует распределение материальных точек в теле относительно данной оси. Но точное количественное определение этой величины в конкретных случаях нередко затруднено.

Инерционно-массовые характеристики, такие, как масса тела, положение центра масс, величина момента инерции, оказывают существенное влияние на параметры устойчивости, а также на инерционное сопротивление тела вращательному движению.

В частности, чем больше инерционное сопротивление тела, тем меньше угловая скорость его вращения. Например, при вращении тела вокруг вертикальной оси (рис. 38а) с угловой скоростью ?₁ увеличение инерционного сопротивления (I2>I1) разведением рук в стороны (рис. 38б) приводит к уменьшению угловой скорости (?₁ Продолжение на ЛитРес

1.2. Определение работы тренера

Определение силы ветра

Определение силы ветра В параглайдинге недостаточно знать, что ветер силен или слаб. Он должен быть оценен и измерен более точно, предпочтительно с использованием инструмента — измерителя силы ветра. Если у вас нет такогоинструмента, вы все же можете грубо оценить силу

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ 1. Контроль физической подготовленностиПедагогический контроль в спортивной деятельности дзюдоистов детско-юношеского возраста приоритетно направлен на изучение показателей их физической подготовленности по

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОЦИАЛЬНО-ПСИХОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОЦИАЛЬНО-ПСИХОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ Наиболее сложный раздел контроля определяет психические состояния, личностно-характерологогические особенности, микроклимат в коллективе дзюдоистов и другие показатели. Получаемые результаты будут более надежными,

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ Определение медико-биологических показателей проводится систематически, т. к. выявляет физическое развитие и здоровье занимающихся. У дзюдоистов обычно применяют тестовые методики двух видов.а) Тесты, проводимые в покое,

Определение своих ограничителей

Определение своих ограничителей В главе 5 вы определили свои сильные и слабые стороны с использованием профиля врожденных способностей. Там же была приведена характеристика ряда факторов, связанных с успехом в многоборье. Вы оценили свои способности в области плавания,

Глава 5. Разъяснение 16 моментов, касающихся важного в тайцзицюань

Глава 5. Разъяснение 16 моментов, касающихся важного в тайцзицюань Подвижность — в пояснице;находчивость — в макушке;пронизанность духом — в спине;текучесть движения — в ци;движение — в ногах;толчок ногой — в стопе;соединение — в ладони;стопа — в пальцах;собирание — в

Массово-инерционные характеристики модели

Массово-инерционные характеристики модели В биомеханике совокупность показателей, характеризующих распределение масс в теле человека, принято называть геометрией масс. Для биомеханических расчетов нужны точные сведения об этих показателях.Таблица 3 К

Определение положения центра масс модели

Определение положения центра масс модели При исследовании движений человека, как правило, возникает необходимость учитывать не только величину массы, но и ее распределение в теле. На распределение массы тела указывает расположение так называемого центра масс

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЫГОДНЫХ МОМЕНТОВ ДЛЯ НАПАДЕНИЯ

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЫГОДНЫХ МОМЕНТОВ ДЛЯ НАПАДЕНИЯ Можно утверждать, что нет такого мгновения в схватке, когда для самбиста не было бы выгодных для нападения положений, передвижений или действий противника. Но во время борьбы действует так много различных факторов, что

4.3. Процесс развития интеллектуальных способностей подростка-спортсмена: взаимообусловленность актуальной модели интеллекта и модели деятельности

4.3. Процесс развития интеллектуальных способностей подростка-спортсмена: взаимообусловленность актуальной модели интеллекта и модели деятельности Разум есть тот сознаваемый человеком закон, по которому должна совершаться его жизнь. Л. Н. Толстой Процесс развития

Все движения человека и движимых им тел под действием сил изменяются по величине и направлению скорости. Чтобы раскрыть механизм движений (причины их возникновения и ход их изменения), исследуют динамические характеристики. К ним относятся инерционные характеристики (особенности самих движущихся тел) , силовые (особенности взаимодействия тел) и энергетические (состояния и изменения работоспособности, биомеханических систем) .

Инерционные характеристики раскрывают, каковы особенности тела человека и движимых им тел в их взаимодействиях. От инерционных характеристик зависит сохранение и изменение скорости.

Все физические тела обладают свойством инертности (или инерции), которое проявляется в сохранении движения, а также в особенностях изменения его под действием сил.

Понятие инерции раскрывается в первом законе Ньютона: "Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы не заставят его изменить это состояние".

Говоря проще: тело сохраняет свою скорость, а также под действием внешних сил изменяет ее.

Масса - это мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется отношением величины приложенной силы к вызываемому ею ускорению.

Масса тела характеризует, как именно приложенная сила может изменить движение тела. Одна и та же сила вызовет большее ускорение у тела с меньшей массой, чем у тела с большей массой.

Момент инерции - это мера инертности тела при вращательном движении. Момент инерции тела относительно оси равен сумме произведений масс веек его частиц на квадраты их расстояний от данной оси вращения.

Отсюда видно, что момент инерции тела больше, когда его частицы дальше от оси вращения, а значит угловое ускорение тела под действием того же момента силы меньше; если частицы ближе к оси, то угловое ускорение больше, а момент инерции меньше. Значит, если приблизить тело к оси, то легче вызвать угловое ускорение, легче разогнать тело во вращении, легче и остановить его. Этим пользуются при движении вокруг оси.

Силовые характеристики. Известно, что движение тела может происходить как под действием приложенной к нему движущей силы, так и без движущей силы (по инерции), когда приложена только тормозящая сила. Движущие силы приложены не всегда; без тормозящих же сил движения не бывает. Изменение движений происходит под действием сил. Сила не причина движения, а причина изменения движения; силовые характеристики раскрывают связь действия силы с изменением движения.

Сила — это мера механического воздействия одного тела на другое в данный момент времени. Численно она определяется произведением массы тела и его ускорения, вызванного данной силой.

Чаще всего говорят про силу и результат ее действия, но это применимо только к простейшему поступательному движению тела. В движениях человека как системы тел, где все движения частей тела вращательные, изменение вращательного движения зависит не от силы, а от момента силы.

Момент силы - это мера вращающего действия силы на тело. Он определяется произведением силы на ее плечо.

Момент силы обычно считают положительным, когда сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицательным при повороте по часовой стрелке.

Чтобы сила могла проявить свое вращающее действие, она должна иметь плечо. Иначе говоря, она не должна проходить через ось вращения.

Определение силы или момента силы, если известна масса или момент инерции, позволяет узнать только ускорение, т.е. как быстро изменяется скорость. Надо еще узнать, насколько именно изменится скорость. Для этого должно быть известно, как долго была приложена сила. Иначе говоря, следует определить импульс силы (или ее момента) .

Импульс силы - это мера воздействия силы на тело за данный промежуток времени (в поступательном движении) . Он равен произведению силы и продолжительности ее действия.

Любая сила, приложенная даже в малые доли секунды (например: удар по мячу) , имеет импульс. Именно импульс силы определяет изменение скорости, силой же обусловлено только ускорение.

Во вращательном движении момент силы, действуя в течение определенного времени, создает импульс момента силы.

Импульс момента силы — это мера воздействия момента силы относительно данной оси за данный промежуток времени (во вращательном движении) .

Вследствие импульса как силы, так и момента силы возникают изменения движения, зависящие от инерционных свойств тела и проявляющиеся в изменении скорости (количество движения, кинетический момент) .

Количество движения — это мера поступательного движения тела, характеризующая его способность передаваться другому телу в виде механического движения. Количество движения тела измеряется произведением массы тела на его скорость.

Кинетический момент (момент количества движения) - это мера вращательного движения тела, характеризующая его способность передаваться другому телу в виде механического движения. Кинетический момент равен произведению момента инерции относительно оси вращения на угловую скорость тела.

Соответствующее изменение количества движения происходит под действием импульса силы, а под действием импульса момента силы происходит определенное изменение кинетического момента (момента количества движения) .

Таким образом, к ранее рассмотренным кинематическим мерам изменения движения (скорости и ускорению) добавляются динамические меры изменения движения (количество движения и кинетический момент) . Совместно с мерами действия сил они отражают взаимосвязь сил и движения. Изучение их помогает понять физические основы двигательных действий человека.

Энергетические характеристики. При движениях человека силы, приложенные к его телу на некотором пути, совершают работу и изменяют положение и скорость звеньев тела, что изменяет его энергию. Работа характеризует процесс, при котором меняется энергия системы. Энергия же характеризует состояние системы, изменяющейся вследствие работы. Энергетические характеристики показывают, как меняются виды энергии при движениях и протекает сам процесс изменения энергии.

Работа силы - это мера действия силы на тело при некотором его перемещении под действием этой силы. Она равна произведению модуля силы и перемещения точки приложения силы.

Если сила направлена в сторону движения (или под острым углом к этому направлению) , то она совершает положительную работу, увеличивая энергию движения тела. Когда же сила направлена навстречу движению (или под тупым углом к его направлению) , то работа силы отрицательная и энергия движения тела уменьшается.

Работа момента силы — это мера воздействия момента силы на тело на данном пути (во вращательном движении) . Она равна произведению модуля момента силы и угла поворота.

Понятие работы представляет собой меру внешних воздействий, приложенных к телу на определенном пути, вызывающих изменения механического состояния тела.

Энергия - это запас работоспособности системы. Механическая энергия определяется скоростями движений тел в системе и их взаимным расположением; значит, это энергия перемещения и взаимодействия.

Кинетическая энергия тела - это энергия его механического движения, определяющая возможность совершить работу. При поступательном движении она измеряется половиной произведения массы тела на квадрат его скорости, при вращательном движении половиной произведения момента инерции на квадрат его угловой скорости.

Потенциальная энергия тела -это энергия его положения, обусловленная взаимным относительным расположением тел или частей одного и того же тела и характером их взаимодействия. Потенциальная энергия в поле сил тяжести определяется произведением силы тяжести на разность уровней начального и конечного положения над землей (относительно которого определяется энергия) .

Энергия как мера движения материи переходит из одного вида в другой. Так, химическая энергия в мышцах превращается в механическую (внутреннюю потенциальную упруго-деформированных мышц). Порожденная последней сила тяги мышц совершает работу и преобразует потенциальную энергию в кинетическую энергию движущихся звеньев тела и внешних тел. Механическая энергия внешних тел (кинетическая) , передаваясь при их действии на тело человека его звеньям, преобразуется в потенциальную энергию растягиваемых мышц-антаганистов и в рассеивающуюся тепловую энергию.

Аннотация. В статье представлены результаты исследования биомеханических характеристик преимущественно поступательных движений. Подчеркнуто влияние антропометрических показателей на момент инерции.

Ключевые слова: биомеханическая характеристика поступательного движения, ось вращения, момент инерции.

Как известно при обучении физическим упражнениям (техническим действиям) необходимо учитывать законы биомеханики, а не "чистой" механики, которая не учитывает характерные факторы и сложность механизмов формирования движений, биомеханических процессов сознательного или подсознательного управления движениями и биомеханической структуры, характеризующейся наличием большего числа степеней свободы, чем в механике [1, 3, 6, 11].

На двигательные возможности спортсменов оказывают влияние их индивидуальные особенности телосложения (рост, масса и пропорции тела и др.), а также психофизиологические особенности [2, 4, 9, 10].

Большинство движений (в биомеханике) являются составными, так как в них одновременно присутствуют и поступательные и вращательные компоненты. При поступательном движении в "чисто" механическом движении все точки тела перемещаются по одинаковым траекториям, таким образом, это не влияет на момент инерции [2, 3, 4, 8, 10, 11]. Однако часто возникает вопрос: почему скорость передвижения и выполнения технических действий у тяжеловесов хуже, чем у легковесов, почему они более инертны даже тогда, когда выполняют преимущественно поступательные движения (вперёд-назад)?

Исследования выполнены в соответствии с планом научно-исследовательской работы Харьковского гуманитарного университета "Народная украинская академия" на 2005 - 2006 учебный год.

Целью работы являлось исследование биомеханических характеристик и влияние весо-ростовых показателей на момент инерции при выполнении преимущественно поступательных движений.

Основная задача исследования - научное обоснование биомеханической структуры движения назад-вперёд при выполнении защиты уклоном назад (отклоном) и контрудара.

- осуществлён анализ видеозаписей соревновательной деятельности двух чемпионатов Украины по рукопашному бою и двух чемпионатов мира по универсальному бою (34 поединка);

- исследованы временные показатели выполнения защиты отклоном назад и контрудара ("ответного" удара);

- проведены измерения длины звеньев тела спортсменов и весо-ростовых показателей, вычислены результаты исследования и их влияние на момент инерции при выполнении преимущественно поступательного движения.

Результаты анализа соревновательной деятельностипоказывают, что спортсмены в основном используют защиту уклоном назад (отклоном) и передвижением - шагом назад.

Так как в наших исследованиях 8 поединков из 34 завершились досрочно, то, соответственно количество защитных действий (как и атакующих) было меньше, нежели если бы состоялись "полноценные" по времени поединки.

На рисунке видно, что преобладает защита передвижением - 45,26%; далее - подставки руками - 15,42%; уклоны (отклоны) назад - 13,14%; отбивы - 9,85%; уклоны в сторону - 9,22%; нырки - 4,74% и шаг в сторону (уход с линии атаки) - 2,37%.

Эффективность защитных действий выражается в соотношении между общим числом выполненных к числу достигших цели. Коэффициент эффективности защитных действий составляет: руками - 0,78; корпусом - 0,67 и передвижением (шагом) - 0,75.

Таким образом, анализ эффективности защитных действий показал, что чаще всего спортсмены, даже высокой квалификации, применяют защиту отклоном или шагом назад. Мы предполагаем, что причина такого "соотношения", в первую очередь, кроется в преобладании "психического начала" ("срабатывает" инстинкт самосохранения). Спортсмены реагируют "на инстинктивном уровне", стараются "отскочить" от угрозы, оказаться как можно дальше (на безопасном расстоянии) от места, откуда исходит опасность. Здесь также значительное влияние оказывают приобретённые навыки на начальном этапе занятий, когда, как правило, в основном отрабатывается защита отклоном или шагом назад и недостаточно внимания уделяется владению навыками выполнения других видов защит (например, уклоном и шагом в сторону). Но данный вид защиты эффективен только как защитное действие, которое не "даёт очки".

Спортсмена и тренера интересует положительный конечный результат, победа. Поэтому очень остро стоит вопрос использования контратакующих действий. Практика показывает, что кто переходит своевременно от защитных действий к контратакующим, тот набирает балы, выигрывает. Поэтому нами были проанализированы все случаи выполнения защиты уходом назад и сделаны выводы о том, что спортсмены не используют "провалы" противника, то есть после защиты шагом назад не выполняют контратаку.

При проведении предварительных исследований нами было зафиксировано время выполнения защиты отклоном и шагом назад, то есть, вычислено время ответной реакции. В эксперименте приняло участие 16 спортсменов: 8 - в весовой категории до 75 кг и 8 - 80 и выше.

В первом случае спортсмены выполняли защиту отклоном назад от удара рукой в голову и контратаку - "ответный" прямым рукой в голову. Так, в результате исследования выявлено, что показатели отличаются достоверно (лучше) от ± m = 0,25 с ± 0,0048 в подгруппе до 75 кг до ± m = 0,28 с ± 0,0053 в подгруппе 80 кг и выше: (t = 4,29; Р

Во втором варианте выполнялась защита шагом назад от удара ногой в туловище и контрудар рукой в голову. "Реальный" удар ногой в туловище "заставлял" спортсменов делать шаг назад, таким образом, как этот шаг выполняют во время соревнований, во время реальной угрозы.

Результаты также отличаются достоверно (лучше): от ± m = 0,36 ± 0,0047 в весовой категории до 75 кг, до ± m = 0,39 ± 0,0066 в категории 80 кг и выше (t = 3,7; Р

Таким образом, очевидны отличия по временным показателям и их зависимость от весовой категории, длины тела в целом и его сегментов.

При исследовании вопроса влияния весо-ростовых показателей на момент инерции в биомеханическом движении мы обратили внимание на то, что поступательные, на первый взгляд движения, при выполнении отклона назад, затем - вперёд, при нанесении ответного удара, можно рассматривать как вращательные не только вокруг вертикальной оси, а и вокруг фронтальной. Так, при наклоне туловища назад (отклон) вращательные движения осуществляются вокруг трёх, (две из которых "парные"), подразумеваемых осей вращения.

Рис. 3 (а) - положение туловища в боевой стойке и (б) (пунктиром) - положение при выполнении отклона назад. 1 - 5 - оси вращения при преимущественно поступательном движении туловища (а - б):

1 - ось вращения, проходящая через тазобедренные суставы (в пояснице); 2 - через коленный сустав впередистоящей ноги; 3 - через коленный сустав сзади стоящей ноги; 4 - через голеностопный сустав впередистоящей ноги; 5 - через голеностопный сустав сзади стоящей ноги.

Данные нашего исследования, ещё раз подчеркивают, что "чисто" поступательные движения в биомеханике, практически не встречаются. Они являются результатом вращательных, либо вращательно-поступательных движений, то есть они составные. Даже "самое поступательное" на первый взгляд движение вперёд-назад, является вращательно-поступательным, проходящее через все оси вращения: фронтальной, вертикальной и сагиттальной. В данном случае маятниковое движение назад-вперёд можно рассматривать как вращательное движение вокруг фронтальной оси. Поэтому это в значительной степени влияет на время выполнения движения и на момент инерции, зависящий от длины и массы звена тела.

Практические задачи спортивной деятельности можно решить с помощью знаний (измерений) размеров тела и его сегментов. Массу звена тела принято определять по его относительной массе в % к массе всего тела [2, 3, 4, 6, 9, 10]. Используя данные таблицы 2, мы высчитали индивидуальные массы звеньев тела спортсменов экспериментальной группы. Однако эти данные являются приблизительными, так как даже в конкретной весовой категории, на массу звена тела могут влиять и другие, индивидуальные особенности как, например, конституция тела и другие.

Читайте также: