20 Энергетические характеристики движений

Энергетические характеристики. При движении 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 изменяется энергия системы. Энергия характеризует состояние системы, изменяющейся вследствие работы. энергетические характеристики показывают, как меняются виды энергии при движении и протекает сам процесс изменения энергии.

Работа силы – мера действия силы на тело при некотором его перемещении под действием этой силы. Если величина силы, приложенной к твердому телу (которое может быть принято за материальную точку), остается постоянной, то работа этой силы на прямолинейном перемещении рассчитывается по формуле: A = F*S*cos , где F*cos  – проекция силы на направление перемещения,  – угол между вектором силы и вектором перемещения.

Так как силы в движениях человека обычно переменны, а движения точек криволинейны, работа силы представляет собой сумму элементарных работ: А = ΣF*cos α*S, где S – бесконечно малое перемещение, измеренное вдоль траектории.

Сила может совершать положительную и отрицательную работу – увеличивать или уменьшать энергию тела. Поскольку работа силы вызывает изменение энергии системы, для расчета полезной механической работы может использоваться выражение А = ΔЕ_к. + ΔЕ_п., где ΔЕ_к – изменение кинетической энергии тела, ΔЕ_п. – изменение потенциальной энергии тела.

Работа силы тяжести тела равна произведению его веса на разность высот конечного и начального положений: А = m*g*h = P*h. При опускании тела работа силы тяжести положительная и наоборот.

Работа силы упругости при удлинении (l) тела с коэффициентом жесткости (С) имеет выражение: А _упр. = – C*l² / 2.

Работа силы трения при прижимающей силе (сила нормального давления – N), коэффициенте трения k на перемещении S равна: А _тр. = – N*k*S.

Работа силы тяжести и силы упругости не зависит от формы траектории тела; работв силы трения зависит от длины пути и, следовательно, от формы траектории.

При вращательном движении работа силы на конечном пути зависит от момента силы и углового перемещения: A_z = M*.

Важным показателем, характеризующим быстроту совершения работы, является мощность силы – мера быстроты приращения работы силы. Мощность (N) характеризует работу по времени, в течение которого она производилась: N = A / t = F*V.

Эффективность приложения сил в механике определяют по коэффициенту полезного действия (к.п.д.) – отношению полезной работы ко всей затраченной работе движущих сил:  = N_п / N = А_п / А.

Механическая энергия тела определяется скоростями движения тел в системе и их взаимным расположением. Таким образом, механическая энергия это энергия движения и местоположения.

Кинетическая энергия тела – это его энергия его механического движения, определяющая возможность совершить работу. При поступательном движении она равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости: Е _{к (пост)} = m*v² / 2. изменение кинетической энергии всегда равно работе сил внутренних и внешних по отношению к этому телу: Е _{к (пост)} = F*S.

При вращательном движении кинетическая энергия тела имеет выражение: Е _{к (вращ)} = I*² /2, а ее изменение равно: Е _{к (вращ)} = М*.

Выражение кинетической энергии системы вращающихся тел можно представить как сумму кинетической энергии тел, вращающихся вокруг своих ЦМ вокруг осей параллельных основной оси вращения, и из кинетической энергии этих тел относительно основной оси вращения: Е _{к (вращ)} = Е₀ + Е.

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: Е _{п (тяж)} = m*g*h.

Потенциальная энергия упругодеформированного тела: Е _{п (упр)} = C*l² / 2.

Потенциальная энергия в поле сил тяжести зависит от расположения тела относительно Земли. Потенциальная энергия упругодеформированной системы зависит от взаимного расположения ее частей.

Полная кинетическая энергия тела человека равна сумме кинетической энергии ЦМ системы в поступательном движении и кинетической энергии тела во вращательном движении вокруг ЦМ: Е_к = Е_пост. + Е_вращ..