Біомеханіка - мої статті - каталог статей - персональний сайт
Всі рухи людини і рухомих їм тіл під дією сил змінюються за величиною і напрямком швидкості. Щоб розкрити механізм рухів (причини їх виникнення та перебіг їх зміни), досліджують динамічні характеристики. До них відносяться інерційні характеристики (особливості самих рухомих тіл), силові (особливості взаємодії тіл) і енергетичні (стану і зміни працездатності, біомеханічних систем).
Інерційні характеристики розкривають, які особливості тіла людини і рухомих їм тел в їх взаємодіях. Від інерційних характеристик залежить збереження і зміна швидкості.
Всі фізичні тіла мають властивість інертності (або інерції), яке проявляється в збереженні руху, а також в особливостях зміни його під дією сил.
Поняття інерції розкривається в першому законі Ньютона: "Будь-яке тіло зберігає свій стан спокою або рівномірного і прямолінійного руху до тих пір, поки зовнішні прикладені сили не змусять його змінити цей стан".
Говорячи простіше: тіло зберігає свою швидкість, а також під дією зовнішніх сил змінює її.
Маса - це міра інертності тіла при поступальному русі. Вона вимірюється ставленням величини прикладеної сили до викликається нею прискоренню.
Маса тіла характеризує, як саме прикладена сила може змінити рух тіла. Одна і та ж сила викличе більше прискорення у тіла з меншою масою, ніж у тіла з більшою масою.
Момент інерції - це міра інертності тіла при обертальному русі. Момент інерції тіла відносно осі дорівнює сумі творів мас веек його частинок на квадрати їх відстаней від даної осі обертання.
Звідси видно, що момент інерції тіла більше, коли його частки далі від осі обертання, а значить кутове прискорення тіла під дією того ж моменту сили менше; якщо частки ближче до осі, то кутове прискорення більше, а момент інерції менше. Значить, якщо наблизити тіло до осі, то легше викликати кутове прискорення, легше розігнати тіло під час обертання, легше і зупинити його. Цим користуються при русі навколо осі.
Силові характеристики. Відомо, що рух тіла може відбуватися як під дією прикладеної до нього рушійної сили, так і без рушійної сили (за інерцією), коли прикладена тільки гальмує сила. Рушійні сили прикладені не завжди; без гальмують же сил руху не буває. Зміна рухів відбувається під дією сил. Сила не причина руху, а причина зміни руху; силові характеристики розкривають зв'язок дії сили зі зміною руху.
Сила - це міра механічного впливу одного тіла на інше в даний момент часу. Чисельно вона визначається твором маси тіла і його прискорення, викликаного даної силою.
Найчастіше говорять про силу і результат її дії, але це може бути застосовано тільки до найпростішого поступального руху тіла. У рухах людини як системи тіл, де всі рухи частин тіла обертальні, зміна обертального руху залежить не від сили, а від моменту сили.
Момент сили - це міра крутного дії сили на тіло. Він визначається добутком сили на її плече.
Момент сили зазвичай вважають позитивним, коли сила викликає поворот тіла проти годинникової стрілки, і негативним при повороті за годинниковою стрілкою.
Щоб сила могла проявити своє вращающее дію, вона повинна мати плече. Інакше кажучи, вона не повинна проходити через вісь обертання.
Визначення сили або моменту сили, якщо відома маса або момент інерції, дозволяє дізнатися тільки прискорення, тобто як швидко змінюється швидкість. Треба ще дізнатися, наскільки саме зміниться швидкість. Для цього має бути відомо, як довго була прикладена сила. Інакше кажучи, слід визначити імпульс сили (або її моменту).
Імпульс сили - це міра впливу сили на тіло за даний проміжок часу (в поступальному русі). Він дорівнює добутку сили і тривалості її дії.
Будь-яка сила, прикладена навіть в малі частки секунди, має імпульс. Саме імпульс сили визначає зміну швидкості, силою ж обумовлено тільки прискорення.
Під обертальному русі момент сили, діючи протягом певного часу, створює імпульс моменту сили.
Імпульс моменту сили - це міра впливу моменту сили відносно даної осі за даний проміжок часу (в обертальному русі).
Внаслідок імпульсу як сили, так і моменту сили виникають зміни руху, що залежать від інерційних властивостей тіла і які проявляються в зміні швидкості (кількість руху, кінетичний момент).
Кількість руху - це міра поступального руху тіла, що характеризує його здатність передаватися іншому тілу у вигляді механічного руху. Кількість руху тіла вимірюється твором маси тіла на його швидкість.
Кінетичний момент (момент кількості руху) - це міра обертального руху тіла, що характеризує його здатність передаватися іншому тілу у вигляді механічного руху. Кінетичний момент дорівнює добутку моменту інерції щодо осі обертання на кутову швидкість тіла.
Відповідну зміну кількості руху відбувається під дією імпульсу сили, а під дією імпульсу моменту сили відбувається певна зміна кінетичного моменту (моменту кількості руху).
Таким чином, до раніше розглянутим кинематическим заходам зміни руху (швидкості і прискорення) додаються динамічні заходи зміни руху (кількість руху і кінетичний момент). Спільно із заходами дії сил вони відображають взаємозв'язок сил і руху. Вивчення їх допомагає зрозуміти фізичні основи рухових дій людини.
Енергетичні характеристики. При рухах людини сили, прикладені до його тіла на деякому шляху, здійснюють роботу і змінюють положення і швидкість ланок тіла, що змінює його енергію. Робота характеризує процес, при якому змінюється енергія системи. Енергія ж характеризує стан системи, що змінюється внаслідок роботи. Енергетичні характеристики показують, як змінюються види енергії при рухах, і протікає сам процес зміни енергії.
Робота сили - це міра дії сили на тіло при деякому його переміщенні під дією цієї сили. Вона дорівнює добутку модуля сили і переміщення точки прикладання сили.
Якщо сила спрямована в бік руху (або під гострим кутом до цього напрямку), то вона здійснює позитивну роботу, збільшуючи енергію руху тіла. Коли ж сила спрямована назустріч руху (або під тупим кутом до його напрямку), то робота сили негативна і енергія руху тіла зменшується.
Робота моменту сили - це міра впливу моменту сили на тіло на даному шляху (в обертальному русі). Вона дорівнює добутку модуля моменту сили і кута повороту.
Поняття роботи являє собою міру зовнішніх впливів, прикладених до тіла на певному шляху, що викликають зміни механічного стану тіла.
Енергія - це запас працездатності системи. Механічна енергія визначається швидкостями рухів тел в системі і їх взаємним розташуванням; значить, це енергія переміщення і взаємодії.
Кінетична енергія тіла - це енергія його механічного руху, що визначає можливість зробити роботу. При поступальному русі вона вимірюється половиною твори маси тіла на квадрат його швидкості, при обертальному русі половиною твори моменту інерції на квадрат його кутової швидкості.
Потенційна енергія тіла - це енергія його положення, обумовлена взаємним відносним розташуванням тел або частин одного і того ж тіла і характером їх взаємодії. Потенційна енергія в поле сил тяжіння визначається твором сили тяжіння на різницю рівнів початкового і кінцевого положення над землею (щодо якого визначається енергія).
Енергія як міра руху матерії переходить з одного виду в інший. Так, хімічна енергія в м'язах перетворюється в механічну (внутрішню потенційну упругодеформірованному м'язів) енергію. Породжена останньої сила тяги м'язів робить роботу і перетворює потенційну енергію в кінетичну енергію рухомих ланок тіла і зовнішніх тел. Механічна енергія зовнішніх тел (кінетична), передаючись при їх дії на тіло людини його ланкам, перетворюється в потенційну енергію розтягуваних м'язів антаганістов і в розсіюються теплову енергію.