Предмет биомеханики
Движение лежит в основе жизнедеятельности человека. Разнообразные химические и физические процессы в клетках тела, работа сердца и течение крови, дыхание, пищеварение и выделение; перемещение тела в пространстве и частей тела относительно друг друга; сложнейшая нервная деятельность, являющаяся физиологическим механизмом психики, восприятие и анализ внешнего и внутреннего мира – все это различные формы движения материи. Закономерности механического движения изучаются механикой. Предметом механики как науки является изучение изменений пространственного расположения тел и тех причин, или сил, которые вызывают эти изменения. Биомеханика – наука о законах механического движения в живых системах. Она изучает движения с точки зрения законов механики, свойственных всем без исключения механическим движениям материальных тел. Объект познания биомеханики – двигательные действия человека как системы взаимно связанных активных движений и положений его тела. Область изучения биомеханики – механические и биологические причины возникновения движений, особенности их выполнения в различных условиях. Общая задача изучения движений состоит в оценке эффективности приложения сил для достижения поставленной цели.
Задачи биомеханики спорта
Общая задача изучения движений человека в биомеханике спорта – оценка эффективности приложения сил для более совершенного достижения поставленной цели.
Изучение движений в биомеханике спорта в конечном счете направлено на то, чтобы найти совершенные способы двигательных действий и научить лучше их исполнять. Поэтому оно имеет ярко выраженную педагогическую направленность.
Частные задачи биомеханики спорта состоят в изучении следующих основных вопросов:
а) строение, свойства и двигательные функции тела спортсмена;
б) рациональная спортивная техника и
в) техническое совершенствование спортсмена.
Поскольку особенности движений зависят от объекта движений – тела человека, в биомеханике спорта изучают (с точки зрения биомеханики) строение опорно-двигательного аппарата, его механические свойства и функции (включая показатели двигательных качеств) с учетом возрастных и половых особенностей, влияния уровня тренированности и т.п. Короче говоря, первая группа задач – изучение самих спортсменов, их особенностей и возможностей.
Чтобы эффективно выступать на соревнованиях, спортсмен должен владеть наиболее рациональной для него техникой. От того, из каких движений и как построены двигательные действия, зависит их совершенство. Поэтому в биомеханике спорта детально исследуют особенности различных групп движений и возможности их совершенствования. Изучают ныне существующую спортивную технику, а также разрабатывают новую, более рациональную.
Данные об изменениях спортивной техники в процессе тренировки позволяют разрабатывать основу методики технического совершенствования спортсмена. Исходя из особенностей рациональной техники, определяют рациональные пути ее построения, средства и методы повышения спортивно-технического мастерства.
Таким образом, биомеханическое обоснование технической подготовки спортсменов подразумевает: определение особенностей и уровня подготовленности тренирующихся, планирование рациональной спортивной техники, подбор вспомогательных упражнений и «создание тренажеров для специальной физической и технической подготовки, оценку применяемых методов тренировки и контроль за их эффективностью.
Временные характеристики
Временные характеристики раскрывают движение во времени: когда оно началось и закончилось (момент времени), как долго длилось (длительность движения), как часто выполнялось движение (темп), как они были построены во времени (ритм). Вместе с пространственно-временными характеристиками они определяют характер движений человека.
Момент времени – это временная мера положения точки тела и системы. Момент времени (t) определяют промежутком времени до него от начала отсчета: [t] = Т.
Момент времени определяют не только для начала и окончания движения, но и для других важных мгновенных положений. В первую очередь это моменты существенного изменения движения: заканчивается одна часть (фаза) движения и начинается следующая (например, отрыв стопы от опоры в беге – это момент окончания фазы отталкивания и начала фазы полета). По моментам времени определяют длительность движения.
Длительность движения – это его временная мера, которая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения.
Темп движений – это временная мера их повторности. Он измеряется количеством движений, повторяющихся в единицу времени (частота движений):
Темп – величина, обратная длительности движений. Чем больше длительность каждого движения, тем меньше темп, и наоборот. В повторяющихся (циклических) движениях темп может служить показателем совершенства техники.
Ритм движений (временной) – это временная мера соотношения частей движений. Он определяется по соотношению длительности частей движения:
Ритм движений характеризует, например, отношение времени опоры к времени полета в беге или времени амортизации (сгибания колена) к времени отталкивания (выпрямления ноги) при опоре.
Пространственно-временные характеристики движения
По пространственно-временным характеристикам определяют, как изменяются положения и движения человека во времени, как быстро человек изменяет свои положения (скорость) и движения (ускорение).
Скорость точки – это пространственно-временная мера движения точки (быстроты изменения ее положения). Скорость равна первой производной по времени от расстояния в рассматриваемой системе отсчета:
Скорость точки определяется по изменению ее координат во времени. Скорость – величина векторная, она характеризует быстроту движения и его направление. Так как скорость движений человека чаще всего не постоянная, а переменная (движение неравномерное и криволинейное), для разбора упражнений определяют мгновенные скорости.
Ускорение точки – это пространственно-временная мера изменения движения точки (быстрота изменения движения – по величине и направлению скорости). Ускорение точки равно первой производной по времени от скорости этой точки в рассматриваемой системе отсчета:
Ускорение точки определяется по изменению ее скорости во времени. Ускорение – величина векторная, характеризующая быстроту изменения скорости по ее величине и направлению в данный момент.
Инерционные характеристики
Свойство инертности тел раскрывается в первом законе Ньютона:
«Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы, не изменят это состояние».
Иначе говоря, всякое тело сохраняет скорость, пока ее не изменяв силы.
Понятие об инертности:
Любые тела сохраняют скорость неизменной при отсутствии внешних воздействий одинаково. Это свойство, не имеющее меры, и предлагается называть инерцией 1. Разные тела изменяют скорость под действием сил по-разному. Это их свойство, следовательно, имеет меру: его называют инертностью. Именно инертность и представляет интерес, когда надо оценить, как изменяется скорость.
Инертность – свойство физических тел, проявляющееся в постепенном изменении скорости с течением времени под действием сил.
Сохранение скорости неизменной (движение как бы по инерции) в реальных условиях возможно только тогда, когда все внешние силы, приложенные к телу, взаимно уравновешены. В остальных случаях неуравновешенные внешние силы изменяют скорость тела в соответствии с мерой его инертности. Момент инерции тела – это мера инертности тела при вращательном движении. Момент инерции тела относительно оси равен сумме произведений масс всех материальных точек тела на квадраты их расстояний от данной оси
Радиус инерции тела – это сравнительная мера инертности данного тела относительно его разных осей. Он измеряется корнем квадратным из отношения момента инерции (относительно данной оси) к массе тела.
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.
"ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАСС – ИНЕРЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕЛА СПОРТСМЕНА"
Теоретические сведения
Физические свойства звеньев тела человека характеризуются их весом (массой), положением центра масс и главными центральными сегментами инерции относительно трех осей.
Для определения масс, координат центров масс и моментов инерции сегментов применяются либо экспериментальные, либо расчетные методы, причем последние используются гораздо чаще.
Наиболее употребительный метод расчета масс – инерционных характеристик звеньев тела спортсмена основан на результатах аналитической обработки данных антропометрических исследований. Он предусматривает использование регрессионных зависимостей вида:
X i = b 0 i + b 1 i * P + b 2 i * H
где - i условный номер звена
X i - рассчитываемая масс – инерционных характеристика
(вес, координата масс или момент инерции -го звена)
^ P - вес тела человека (кг)
H - рост человека (см)
b 0 i b 1 i b 2 i - коэффициенты уравнений множественной регрессии,
значение которых приведены в таблицах 1-5
ТАБЛИЦА 1
Коэффициенты для вычисления веса сегментов
| i | Наименование сегмента | b 0 i | b 1 i | b 2 i |
| 1 | Стопа | 0,0880 | 0,0880 | 0,00730 |
| 2 | Голень | -1,5920 | 0,03620 | 0,01210 |
| 3 | Бедро | 0,01210 | 0,14630 | 0,01370 |
| 4 | Кисть | -0,1165 | 0,00360 | 0,00175 |
| 5 | Предплечье | 0,3185 | 0,01445 | -0,00144 |
| 6 | Плечо | 0,2500 | 0,02012 | -0,00270 |
| 7 | Голова | 1,2960 | 0,01710 | 0,01430 |
| 8 | Верхняя часть туловища | 8,2144 | 0,18620 | -0,05840 |
| 9 | Средняя часть туловища | 7,1810 | 0,22340 | -0,06630 |
| 10 | Нижняя часть туловища | -7,4980 | 0,09760 | 0,04896 |
Х1 = -0,829 + 0,00770 * 50 + 0,00730 * 167 = 0,775
Х2= -1,5920 + 0,03620 * 50 + 0,01210 * 167 = 2,239
Х3= 0,01210 + 0,14630 *50 + 0,01370 *167 =9,615
Х4= -0,1165 + 0,00360 * 50 + 0,00175 = 0,356
Х5= 0,3185 + 0,01445 *50 + -0,00144 *167= 0,801
Х6= 0,2500 + 0,02012 * 50 + -0,00270 * 167 = 0,805
Х7= 1,2960 + 0,01710 * 50 + 0,01430 * 167 = 4,359
Х8= 8,2144 + 0,18620 * 50+ -0,05840 * 167 = 7,772
Х9= 7,1810 + 0,22340 * 50 + -0,06630 * 167 = 7,279
Х10= -7,4980 + 0,09760 * 50 + 0,04896 * 167 = 5,559
ТАБЛИЦА 2
Коэффициент для определения центра масс на продольной оси сегмента
| i | Наименование сегмента | b 0 i | b 1 i | b 2 i |
| 1 | Стопа | 3,767 | 0,0650 | 0,0330 |
| 2 | Голень | -6,050 | -0,0390 | 0,1420 |
| 3 | Бедро | -2,420 | 0,0380 | 0,1350 |
| 4 | Кисть | 4,110 | 0,0260 | 0,0330 |
| 5 | Предплечье | 0,192 | -0,0280 | 0,0930 |
| 6 | Плечо | 1,670 | 0,0300 | 0,0540 |
| 7 | Голова | 9,357 | -0,0025 | 0,0230 |
| 8 | Верхняя часть туловища | 3,320 | 0,0076 | 0,0470 |
| 9 | Средняя часть туловища | 1,398 | 0,0058 | 0,0450 |
| 10 | Нижняя часть туловища | 1,182 | 0,0180 | 0,0434 |
Х1 = 3,767 + 0,0650 * 50 + 0,0330 * 167 = 12,528
Х2= -6,050 + -0,0390 * 50 + 0,1420 * 167 = 15,714
Х3= -2,420 + 0,0380 * 50 + 0,1350 * 167 = 22,025
Х4= 4,110 + 0,0260 * 50 + 0,0330 * 167 = 10,921
Х5= 0,192 + -0,0280 * 50 + 0,0930 *1 67 = 14,323
Х6= 1,670 + 0,0300 * 50 + 0,0540 * 167 = 12,188
Х7= 9,357 + -0,0025 * 50 + 0,0230 * 167 = 13,073
Х8= 3,320 + 0,0076 * 50 + 0,0470 * 167 = 11,549
Х9= 1,398 + 0,0058 * 50 + 0,0450 *167 = 9,203
Х10= 1,182 + 0,0180 * 50 + 0,0434 * 167 = 9,329
ТАБЛИЦА 3
Коэффициент для вычисления главного центрального момента инерции относительно сагиттальной оси
| i | Наименование сегмента | b 0 i | b 1 i | b 2 i |
| 1 | Стопа | -100,0 | 0,480 | 0,626 |
| 2 | Голень | -1105,0 | 4,590 | 6,630 |
| 3 | Бедро | -3557,0 | 31,700 | 18,610 |
| 4 | Кисть | -19,5 | 0,170 | 0,116 |
| 5 | Предплечье | -64,0 | 0,950 | 0,340 |
| 6 | Плечо | -250,7 | 1,560 | 1,512 |
| 7 | Голова | -78,0 | 1,171 | 1,519 |
| 8 | Верхняя часть туловища | 81,2 | 36,730 | -5,970 |
| 9 | Средняя часть туловища | 618,5 | 38,800 | -12,870 |
| 10 | Нижняя часть туловища | -1568,0 | 12,000 | 7,741 |
Х1 = -100,0 + 0,480 * 50 + 0,626 * 167 = 28,542
Х2= -1105,0 + 4,590 * 50 + 6,630 * 167=231,71
Х3= -3557,0 + 31,700 * 50 + 18,610 * 167=1135,87
Х4= -19,5 + 0,170 * 50 +0,116*167=8,372
Х5= -64,0 +0,950 * 50 + 0,340 * 167 = 40,28
Х6= -250,7 + 1,560 * 50 + 1,512 * 167 =79,804
Х7= -78,0 + 1,171 * 50 + 1,519 * 167 = 234,223
Х8= 81,2 + 36,730 * 50 + -5,970 * 167 =920,71
Х9= 618,5 + 38,800 * 50 + -12,870 * 167 = 409,21
Х10=-1568,0 + 12,000 * 50 + 7,741 * 167 =324,747
ТАБЛИЦА 4
Коэффициент для вычисления главного центрального момента инерции относительно фронтальной оси
| i | Наименование сегмента | b 0 i | b 1 i | b 2 i |
| 1 | Стопа | -97,09 | 0,414 | 0,614 |
| 2 | Голень | -1152,00 | 4,594 | 6,815 |
| 3 | Бедро | -3690,00 | 32,020 | 19,240 |
| 4 | Кисть | -13,68 | 0,088 | 0,092 |
| 5 | Предплечье | -69,70 | 0,855 | 0,376 |
| 6 | Плечо | -232,00 | 1,525 | 1,343 |
| 7 | Голова | -112,00 | 1,430 | 1,730 |
| 8 | Верхняя часть туловища | 367,00 | 18,300 | -5,730 |
| 9 | Средняя часть туловища | 267,00 | 26,700 | -8,000 |
| 10 | Нижняя часть туловища | -934,00 | 11,800 | 3,440 |
Х1 = -97,09 + 0,414 * 50 + 0,614 * 167 = 26,148
Х2= -1152,00 + 4,594 * 50 + 6,815 * 167 = 215,805
Х3= -3690,00 + 32,020 * 50 + 19,240 * 167=1124,08
Х4= -13,68 + 0,088 * 50 + 0,092 * 167 =6,084
Х5= -69,70 + 0,855 * 50 + 0,376 * 167 =35,842
Х6= -232,00 + 1,525 *50 + 1,343 * 167 =68,531
Х7= -112,00 + 1,430 * 50 + 1,730 * 167 =248,41
Х8= 367,00 + 18,300 * 50 + -5,730 * 167 =325,09
Х9= 267,00 + 26,700 * 50 + -8,000 * 167 =266
Х10= -934,00 + 11,800 * 50 + 3,440 * 167 =230,48
ТАБЛИЦА 5
Коэффициент для вычисления главного центрального момента инерции относительно продольной оси
| i | Наименование сегмента | b 0 i | b 1 i | b 2 i |
| 1 | Стопа | -15,48 | 0,1440 | 0,0880 |
| 2 | Голень | -75,50 | 1,1360 | 0,3000 |
| 3 | Бедро | -13,50 | 11,3000 | -2,2800 |
| 4 | Кисть | -6,26 | 0,0762 | 0,0347 |
| 5 | Предплечье | 5,99 | 0,3060 | -0,0880 |
| 6 | Плечо | -16,90 | 0,6620 | 0,0435 |
| 7 | Голова | 61,60 | 1,7200 | 0,0814 |
| 8 | Верхняя часть туловища | 561,00 | 36,0300 | -9,9800 |
| 9 | Средняя часть туловища | 1501,00 | 43,1400 | -19,8000 |
| 10 | Нижняя часть туловища | -775,00 | 14,7000 | 1,6850 |
Х1 = -15,48 + 0,1440 * 50 +0,0880 * 167=6,416
Х2= -75,50 + 1,1360 * 50 + 0,3000 *167 = 31,4
Х3= -13,50 + 11,3000 * 50 + -2,2800 *167 =170,743
Х4= -6,26 + 0,0762 * 50 + 0,0347 * 167= 3,345
Х5= 5,99 + 0,3060 * 50 + -0,0880 *167= 6,594
Х6= -16,90 + 0,6620 * 50 + 0,0435 * 167= 23,465
Х7= 61,60 + 1,7200 * 50 + 0,0814 *167 =161,194
Х8= 561,00 + 36,0300 * 50 + -9,9800 *167= 695,84
Х9= 1501,00 + 43,1400 * 50 + -19,8000 *167 = 351,4
Х10= -775,00 + 14,7000 * 50 + 1,6850 *167 = 241,395
ВЫВОД: Инерционные характеристики раскрывают, каковы особенности тела человека и движимых им тела в их взаимодействиях. От инерционных характеристик зависит сохранение и изменение скорости. Все физические тела обладают свойством инертности, которое проявляется, 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 движения тела. Одна и та же сила вызывает большое ускорение у тела с меньшей массой, чем у тела с большой массой.
Момент инерции- это мера инертности при вращательном движении. Момент инерции тела относительно оси равен сумме произведений масс вес 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 остановить его. Этим пользуются при движении вокруг оси.
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 говоря 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 зависят 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. Что бы 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 измениться скорость. Для этого должны быть известно, как долго была приложена сила. Иначе говоря, следует определить импульс силы(или ее момент).
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, 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. Наиболее общим показателем распределения масс в теле служит общий центр тяжести тела (ОЦТ).Как известно, центром тяжести называется точка тела, к которой как бы приложена равнодействующая всех сил тяжести тела. Во все стороны от этой точки, по любому направлению, моменты сил, действующих на все частицы тела в любом направлении, приложена к ОЦТ; поэтому в этом случае ОЦТ называют еще центром массы, или центром инерции.
Расположение ОЦТ необходимо знать при изучении статики для оценки условий равновесия тела. Путь движения- траектория ОЦТ во многих случаях дает ценные сведения об особенностях движения тела, так как отражает действие внешних сил на тело. ОЦТ не может перемещается иначе как под действием внешних сил. Одни внутренние силы некогда не когда не могут изменить продолжение и путь ОЦТ.
Общий центр тяжести тела располагается в зависимости от телосложения человека. У людей с более развитыми ногами ОЦТ относительного ниже, чем у людей с более мощной мускулатурой туловища и рук. У длинноногих людей ОЦТ анатомически расположен ниже, но он дальше от земли, чем у коротконогих.
Инерционные характеристики
Свойство инертности тел раскрывается в первом законе Ньютона:
«Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного и
прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы
,не изменят это состояние».
Иначе говоря, всякое тело сохраняет скорость, пока ее не изменяв силы.
Понятие об инертности
Любые тела сохраняют скорость неизменной при отсутствии внешних воздействий одинаково. Это свойство, не имеющее меры, и предлагается называть инерцией 1 . Разные тела изменяют скорость под действием сил по-разному. Это их свойство, следовательно, имеет меру: его называют инертностью. Именно инертность и представляет интерес, когда надо оценить, как изменяется скорость.
Инертность - свойство физических тел, проявляющееся в посте-пенном изменении скорости с течением времени под действием сил.
Сохранение скорости неизменной (движение как бы по инерции) в реальных условиях возможно только тогда, когда все внешние силы, приложенные к телу, взаимно уравновешены. В остальных случаях неуравновешенные внешние силы изменяют скорость тела в соответ-ствии с мерой его нертности.
Масса тела
Масса тела - это мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется отношением величины приложенной силы к вызываемому ею ускорению:
Измерение массы тела здесь основано на втором законе Ньютона: «Изменение движения прямо пропорционально извне действующей силе и происходит по тому направлению, по которому эта сила приложена».
Масса тела зависит от количества вещества тела и характеризует его свойство - как именно приложенная сила может изменить его движение. Одна и та же сила вызовет большее ускорение у тела с меньшей массой, чем у тела с большей массой 1 .
При исследовании движений часто бывает необходимо учитывать не только величину массы, но и как говорится, ее распределение в теле.
На распределение материальных точек в теле указывает местоположение центра масс тела. В абсолютно твердом теле имеются три точки, положения которых совпадают: центр масс, центр инерции и центр тяжести. Однако это совершенно различные понятия. В ЦМ пересекаются направления сил, любая из которых вызывает поступательное движение тела.
Момент инерции тела
Момент инерции тела - это мера инертности тела при враща-тельном движении. Момент инерции тела относительно оси равен сумме произведений масс всех материальных точек тела на квадраты их расстояний от данной оси:
В деформирующейся системе тел, когда ее части отдаляются от оси вращения, момент инерции системы увеличивается. Инерционное со-противление увеличивается с отдалением частей тела от оси вращения пропорционально квадрату расстояния. Поскольку материальные точ-ки в теле расположены на разных расстояниях от оси вращения, для ряда задач удобно вводить понятие «радиус инерции».
Радиус инерции тела - это сравнительная мера инертности дан-ного тела относительно его разных осей. Он измеряется корнем квадратным из отношения момента инерции (относительно данной оси) к массе тела:
Найдя опытным путем момент инерции тела, можно рассчитать радиус инерции (R ин), величина которого характеризует распределение материальных точек в теле относительно данной оси.
Знать о моменте инерции очень важно для понимания движения, хотя точное количественное определение этой величины в конкретных случаях нередко затруднено.
Классификация динамических характеристик движений человека
Вращательное движение тела
Мерой изменения положения тела при вращательном движении является угол поворота фи. Чтобы знать положение тела во вращательном движении в любой момент времени, надо знать зависимость угла поворота фи от времени: фи = фи(t).
Данное уравнение выражает закон вращательного движения тела. Основными кинематическими характеристиками вращательного движения тела являются его угловая скорость (ω ) и угловое ускорение (e ) .
При вращательном движении тела разные его точки имеют различные линейные скорости и ускорения. Линейная скорость точки вращающегося тела численно равна произведению угловой скорости на радиус вращения и направлена по касательной к окружности вращения (перпендикулярно радиусу вращения R ): V = ω R.
Таким образом, линейные скорости точек вращающегося тела пропорциональны их расстояниям от оси вращения (чем дальше удалена точка от оси вращения, тем большую линейную скорость она имеет).
Пример. При выполнении гимнастом большого оборота на перекладине линейная скорость точки, расположенной в области тазобедренного сустава составляет 10,8 м/с, а точки, расположенной в области голеностопного сустава – 18,0 м/с.
В таблице 3.2. представлена взаимосвязь кинематических характеристик при поступательном и вращательном движениях тела.
Таблица 3.2.
Взаимосвязь показателей при поступательном и вращательном движении тела (Н.Б. Кичайкина, 2000)
Скорость движений человека и движимых им тел изменяются под действием сил. Чтобы раскрыть механизм движений (причины их возникновения и направленность их изменений) исследуют динамические характеристики. К ним относятся:
· инерционные характеристики (особенности тела человека и движимых им тел);
· силовые (особенности взаимодействия звеньев тела и других тел);
· энергетические (характеристики состояния систем).
Разные тела изменяют скорость под действием сил по-разному. Это свойство тел называется инертностью.
Инертность – свойство физических тел, от которого зависит величина получаемых ускорений при их взаимодействии.
Инерционные характеристики – это характеристики тела или системы тел. Среди инерционных характеристик различают: массу тела и момент инерции тела .
Масса тела (m ) – мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется отношением величины приложенной силы к вызываемому ею ускорению: m= F /a ,
где: m – масса; F – сила; a – ускорение.
Масса тела зависит от количества вещества, которым обладает тело и характеризует его свойство – как именно приложенная сила может изменить его движение. Одна и та же сила вызовет большее ускорение у тела с меньшей массой, чем у тела с большей массой.
В атлетизме при тренировке спортсмены используют штангу различной массы. Из личного опыта им известно, что придать штанге, имеющей большую массу ускорение значительно сложнее, чем штанге маленькой массы.
В случае вращательного движения мало знать массу тела, важно еще знать распределение масс относительно оси вращения. Например, фигурист при вращении прижимает руки к туловищу, а затем разводит их в стороны. Общая масса системы при этом не изменяется, а распределение масс становится другим, и это сказывается на движении, оно замедляется (Н.Б. Кичайкина, 2000). В механике существует характеристика, определяющая меру инертности тела во вращательном движении – момент инерции тела.
Момент инерции тела (J ) – мера инертности твердого тела при вращательном движении.
Момент инерции зависит от распределения массы относительно оси вращения. Его достаточно легко найти для простых геометрических фигур (шар, цилиндр и др.), но определить его в многозвенной системе тела человека при различных позах непросто.
