Донецк 2008р

Очищенная и обогащенная лимфа поступает в кровеносное русло, т.е. лимфатическая система выполняет функцию обновления основного межклеточного вещества и внутренней среды организма.

Кровоснабжение крупных лимфатических стволов отличается тем, что артериальные ветви стенок не сопровождаются венозными, которые идут отдельно от артериальных.

Т Е М А № 2

ЧЕЛОВЕК КАК БИОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА.

ЛЕКЦИЯ 2.3

ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА.

ПЛАН

1. Общие понятия динамики

2. Инерционные характеристики

3. Силовые характеристики

4. Энергетические характеристики

Все движения человека и реальных тел, в окружающем нас мире, проходят под влиянием приложенных к ним сил. До Ньютона, например, не было понятно, почему двигаются другие тела, например планеты. Но после открытия ньютона ученые могли вычислить не только эти законы движения, но и даже слабые влияния других планет. Сейчас мы с вами тоже пользуемся только введенными ранее понятиями скорость и ускорение не сможем ответить на вопрос: почему колеблется маятник, прикрепленный к пружине, но после сегодняшнего занятия сможем, в принципе рассчитывать и влияние Юпитера и Сатурна на движение Урана.

Для этого нам понадобится понять, к уже известному, что такое сила и масса.

Первый большой шаг в понимание движений был сделан еще Галилеем, когда он открыл свой принцип инерции: тело, представленное самому себе, если на него не действует никакая сила, сохраняет свое прямолинейное движение с постоянной скоростью, если оно двигалось до этого, или остается в покое, если оно до этого покоилось.

В реальной природе такого не бывает: на тело всегда действует какая-то сила. Пример: на столе лежит кубик, если его толкнуть он практически сразу остановится. Причина в том, что кубик трется об стол, он не предоставлен самому себе. А как изменяется скорость тела, если на него, что-то действует. Ответ на этот вопрос дал Ньютон, сформулировавший три основных закона. Первый закон в принципе, повторяет закон Галилея. Второй закон говорит о том, как изменяется скорость тела, когда на него действует сила.

Он звучит так: скорость изменения со временем некоторой величины, называемой количеством движений, или импульсов пропорциональна силе. Пример: толкните слегка рукой спичечный коробок – он тотчас начнет двигаться, если с такой же силой толкнуть, например стол, он вообще двигаться не будет.

Мы говори, что у них разный вес. В сущности нужно говорить не о более легком или более тяжелом предмете, а о менее массивном, т.е. между весом и инерцией есть разница.

Дело в том, то на земле вес и инерция пропорциональны друг другу и зачастую рассматриваются как численно равные. Но на орбитальной станции, например, все предметы практически равны нулю, но для того чтобы сдвинуть с места, т.е. преодолеть инерцию, потребуется столько же силы, сколько и на земле.

Количественной мерой инертности является масса тела.

Теперь можно записать математическую формулу второго закона:

,

где - мера изменения со временем, а mv – количество движения или импульс. Так как мы считаем массу постоянной величиной то:

,

где d – ускорение.

Так как тело человека представляет собой систему взаимосвязанных подвижных элементов с разной массой, то часто для определения действующих на него сил необходимо знать расположение центра масс тела.

В абсолютно твердом теле имеются три точно, положения которых совпадают: центр масс, центр инерции и центр тяжести.

Центр масс – это тока, в которой пересекаются направления сил, любая из которых вызывает поступательное движение тела. Мы уже можем найти его, используя теорему Вариньона.

Однако, если известен центр масс, сказать как распределены материалы точки в теле мы не можем, потому что удаление материальных точек от центра масс не равные расстоянию, положение центра масс не меняется.

Инерция тела проявляется не только при наступательном, но и при вращательном движении (махи и т.д. в спорте)

Мерой инертности тела при вращательном движении служит момент инерции тела, равный суме произведений масс всех материальных точек тела на квадрат их расстояний от оси вращения:

₂²

человеческое тело нельзя считать абсолютно твердым в всех задачах, где рассматривается вращение (тело на перекладине относительно стабильно, фигурист, вращаясь меняет положение рук).

Меняется расстояние масс материальных точек от оси вращения и I. Кроме того различные материальные точки при вращение реального тела оказываются на разном расстояние от оси вращения. Поэтому удобно для решения ряда задач вводить понятие радиус инерции.

, где m=Σm_i, т.е. ² (14),

R_ин – среднеквадратический радиус материальных точек вращения тела. Модель тела человека, через R_ин – полный цилиндр, масса которого сосредоточена в стенках.

Так же как и для поступательного движения, для вращательного справедлив второй закон Ньютона. Только если ускорение поступательного движения определяет действующая сила, то угловое ускорение определяет момент действующих сил.

M=YE(15) (сравнение F=ma), где – Е угловое ускорение.

Кроме центра масс в организме выделяют:

Центр объема тела человека – это точка приложения выталкивающей силы при полном погружении в воду она совпадает с центром тяжести вытесненной воды такой же формы и объема, как человеческое тело. Плотность тела человека не = const поэтому ЦО расположен на несколько сантиметров ближе к голове, чем ОЦТ. Следовательно, погруженное в воду тело человека в выпрямленном положение будет поворачиваться вокруг поперечной оси ногами вниз.

Центр поверхности тела человека – это точка приложения равнодействующей опоре среды при данной позе тела и его ориентации относительно потока (воды или воздуха). Меняя положение тела относительно потока, следовательно меняя ЦП относительно ОЦТ, мы создаем момент сил относительно оси, проходящей через ОЦТ, т.е. выполняем повороты, перевороты и т.д.

К инерционным характеристикам тела относятся также моменты инерции отдельных движений и всего тела. Центральными моменты называются тогда, когда ось вращения проходит через ОЦТ.

Численные значения центральных моментов относительно различных осей можно получить на основе описанных в литературе регрессионных зависимостей, зная свой рост и вес.

Итак, из сказанного ясно, что сила отличается от массы тем, что масса является характеристикой самого тела, а сила это – что-то действующее на тело из вне. Например, в случае с массой и весом тела: масса - мера инертности самого тела, а вес определяется действующим притяжением земли, которая сообщает нашему телу в вертикальном направление ускорение, равное 9,8 м/с².

Но, возразите вы, когда мы стоим на земле, то действия никакой такой силы не ощущаем. Почему? Во–первых потому, что к действию силы тяжести мы за миллионы лет эволюции привыкли (адаптировались), во-вторых тело, которое постоянно взаимодействует с нашим не только, когда мы стоим, но и когда бежим, прыгаем, кувыркаемся и т.д. Основы закона взаимодействия тел, тоже открыл Ньютон, сформулировавший их в третьем своем законе который гласит: «Сила действия равна силе противодействия, или силе действия двух сил друг на друга всегда равны по величине и противоположны по направлению».

ОТСЮДА ДВА СЛЕДСТВИЯ:

1. Поскольку действие и противодействие приложены к разным телам, их нельзя складывать.

2. Нельзя считать, что эти силы взаимно уничтожают друг друга.

Когда человек стоит вертикально, то эти силы взаимно уравновешивают друг друга. Что происходит если это равновесие нарушается?

Продемонстрируем эту ситуацию с помощью рисунка, изображающего гимнаста на перекладине.

Когда гимнаст находится на перекладине он, воздействует на нее с силой F_g=P. Опора с силой F_пр = F_g, но направленной вверх воздействует на гимнаста.

Тело гимнаста тело гимнаста относительно неподвижно(оно совершает небольшие колебания, но с помощью определенных мышечных усилий гимнаст сохраняет положение равновесия) 0←ОТЦ, центр масс тела гимнаста, R_u радиус инерции.

Теперь гимнаст изменяет положение тела так, что появляется некоторый угол α между направлением радиуса инерции и вектором силы тяжести:

Если угол невелик, гимнаст в состояние вернуться в исходное положение. Если α увеличивать, то тело гимнаста начинает вращательные движения вокруг перекладины.

Рассмотрим действующие на гимнаста силы при вращательном движении вокруг перекладины: это F_g=P и F_пр – реакция опоры, направление в противоположную сторону. Эта пара сил и заставляет вращаться тело гимнаста. На тело гимнаста, находящегося в положении и будут, действовать одинаковые силы, но где сообщаемое телу ускорение будет больше?

Правильно в положение b. Это связанно с тем, что на вращающееся тело действует как минимум пара равнонаправленных сил (в биомеханике употребляется термин – момент силы). Величина этого момента сил зависит от расстояния между осью вращения и линией действия силы:

d – это кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы.

Момент силы считают положительным, если поворот происходит против часовой стрелки, отрицательным – по часовой (со стороны наблюдателя).

Таким образом, если мы знаем силу и массу при поступательном движении тела, момент силы и момент инерции при вращательном, то можем вычислить соответствующее ускорение. Но для многих задач биомеханики важной характеристикой движения является скорость. Для того, чтобы судить о скорости, и ее изменениях нужно знать, как долго действовала сила.

Показателем учитывающем силу и время ее воздействия является импульс силы, который численно равен произведению силы на промежуток времени ее действия или:

Если мы рассматриваем вращательное движение, то в формуле вместо силы будет стоять момент сил:

Что происходит под действием импульса силы? Например, спортсмен отталкивается коньком ото льда? Меняется скорость спортсмена. Действительно:

Величину произведения S=m*v – называют количеством движения. Если имеется две изолированных взаимодействующих частицы (тела), то количество движения в этой системе или полный импульс систем сохраняется, остается постоянным.

m₁ v₁+m₂v₂ = const

Отсюда следует, если катящийся по бильярдному столу со скоростью мяч и т.д. (трение) шар после удара о покачивающийся шар после удара останавливается, то скорость шара станет равной скорости шара до удара (если их масса равна и силами трения можно пренебречь). Когда речь идет о вращательном движении, то в формуле вместо массы будет стоять момент инерции, а вместо линейной скорости угловая. Величину называют кинетическим моментом:

Но во всех случаях в спорте, заставляя перемещаться свое тело или перемещать с помощью ударов, бросков другие предметы мы совершаем работу.

Работа – это показатель, характеризующий действие силы на тело, вызывающей его перемещение или деформацию.

если тело под действием силы движется прямолинейно и равномерно и

во всех остальных случаях. Для некоторых частных случаев: работа силы тяжести:

где Н_н – начальная высота, Н_к – конечная высота. Работа силы упругости:

где С – коэффициент жесткости, - величина деформации. Работа силы трения:

где К – коэффициент трения, N – нормальная составляющая давления; - перемещение.

При вращательном движении в формуле работы F нужно заменить момент сил; путь – угловым перемещением:

Два спортсмена Х и У пробежав 1км за 3 и 4 мин соответственно выполнили одинаковою работу, но говорит ли это о их одинаковой подготовленности?

Для оценки эффективности работы используют мощность, которая численно равна отношению работы ко времени ее выполнения.

Но выполнив какую-то работу по отношению к телу, составили ли мы какой-нибудь след в нем. Например, деформировали пружину экспандера?

Распрямляясь, эта пружина способна применить определенный груз на некоторое расстояние, т.е. способна выполнить работу.

Способность тела за счет изменения положения или внутренних сил упругости совершить работу называется энергией.

Способность движущегося тела совершить работу называемая кинетической энергией и изменяется половиной произведения массы на квадрат скорости..

Способность совершать работу за счет изменения взаимного расположения тел или частей одного и того же тела называется потенциальной энергией.

Когда под действием сил упругости пружина распрямляется, то она способна совершать работу. Причем самым замечательным оказывается то, что численно она будет равна работе, которую мы затратили на то, чтобы деформировать пружину. Эта особенность называются формулой, законом сохранения энергии. Имеются ли другие виды энергии: энергия внутриатомных и внутримолекулярных связей, тепловая, химическая.

Переход одной энергии в другую называется репурперацией

ЛИТЕРАТУРА

1. Лысенко В.В., Овчинников Ю.Д. Биомеханика: Учебное пособие. - Краснодар, 1997.

2. Петров В.А. Методические указания к биомеханическому анализу спортивной техники. -Л.: ГДОИФК им. П.Ф.Лесгафта, 1970.

3. Петров В.А.₅ Гагин Ю.А. Механика спортивных движений. – М.: Физкультура и спорт, 1974.

4. Тарг СМ. Краткий курс теоретической механики. – М.: Наука, 1967.

5. Уткин В.Л. Биомеханические аспекты спортивной тактики. - Физкультура и спорт, 1984.

Дата добавления: 2014-01-20