Механические характеристики описывают

Биомеханический анализ движений человека всегда начинается с определения различных характеристик движущегося тела. Этими характеристиками могут быть различные механические характеристики например, перемещение, скорость, ускорение и биологические характеристики сила тяги мышцы, время суммарной электрической активности мышцы. Некоторые из этих характеристик определяются экспериментально, а остальные — расчетным путем. В биомеханике широко используются механические характеристики движущегося тела.

Прежде чем перейти к описанию механических характеристик введем ряд понятий, характеризующих механическое движение тел. Механическое движение тела — это изменение положения тела в пространстве относительно других тел.

Механическое движение является неотъемлемым компонентом функционирования человеческого организма. Чтобы определить положение какого-либо тела в пространстве, прежде всего, нужно выбрать тело отсчета. Тело отсчета — тело, которое условно считается неподвижным и относительно которого рассматривается движение данного тела.

Выбор тела отсчета определяется соображениями удобства для изучения данного движения. Обычно за тело отсчета принимается тело, неподвижное относительно поверхности Земли. Система отсчета состоит из тела отсчета, системы координат и часов, синхронно идущих во всех точках пространства. Векторная величина отображается отрезком прямой со стрелкой на одном конце.

Длина отрезка в выбранном масштабе выражает числовое значение векторной величины, а стрелка указывает ее направление. Векторную величину обозначают буквой с черточкой над ней или стрелкой или жирным шрифтом. В настоящей лекции векторные величины будут обозначаться жирным шрифтом. Скалярная величина от лат. То есть скалярная величина определяется только своим значением, в отличие от векторной, которая кроме значения имеет направление. К скалярным величинам относятся длина, площадь, время, температура и т.

Тело человека — это не материальная точка, а очень сложная биомеханическая система переменной конфигурации. При изучении кинематики движений человека мы можем исследовать движение отдельных точек его тела например, центров суставов и производить анализ и оценку их движений с помощью механических характеристик.

При изучении движений отдельных звеньев тела человека мы можем вычленить и наблюдать наиболее простые формы движения тела — поступательное и вращательное.

Поступательным движением тела называется такое движение, при котором всякая прямая, проведенная в этом теле, перемещается, оставаясь параллельной самой себе.

Поступательное движение не следует смешивать с прямолинейным. При поступательном движении тела траектории его точек могут быть как прямолинейными, так и криволинейными например, траектория полета ядра или траектория ОЦТ тела человека в полетной фазе бегового шага.

При поступательном движении тела все его точки движутся по одинаковым и параллельно расположенным траекториям и имеют в каждый момент времени равные скорости и равные ускорения.

Поэтому поступательное движение тела вполне определяется движением какой-либо его одной точки, а, значит, задача изучения поступательного движения тела сводится к изучению движения любой его точки. Вращательным движением тела называется такое движение, при котором какие-либо две его точки остаются все время неподвижными. Прямая, проходящая через эти точки, называется осью вращения.

Траекторией движения любой точки тела при вращательном движении будет окружность. Исследуя движения человека, измеряют количественные показатели механического состояния тела человека или его движения, а также движения звеньев тела, то есть регистрируют механические характеристики движений. Механические характеристики движений человека — это показатели и соотношения, используемые для количественного описания и анализа двигательной деятельности человека.

Длительность движения — это временная мера, которая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения. Фаза — это часть движения, в течение которой решается самостоятельная двигательная задача. Например, в беге существуют фаза опоры и фаза полета. Каждая из этих фаз характеризуется определенной длительностью. Темп движений определяется количеством движений в единицу времени. Эта характеристика определяется для повторных циклических движений.

Темп движений — величина, обратная длительности движений. Чем больше длительность движений, тем ниже темп. При педалировании в максимальном темпе спортсмен выполняет три цикла в секунду, при беге — 2,8 циклов в секунду, при беге на коньках — 1,8 циклов в секунду. В атлетизме темп выполнения силовых упражнений существенно влияет на гипертрофию скелетных мышц.

Установлено, что эксцентрические упражнения, выполняемые в высоком темпе, оказывают большее повреждающее действие на мышцы по сравнению с умеренным темпом. Вследствие этого степень гипертрофии мышц при выполнении силовых упражнений в высоком темпе будет больше. В беге отношение фазы опоры к фазе полета характеризует ритм движений бегуна. Это отношение называется ритмическим коэффициентом.

У детей лет ритмический коэффициент равен двум, то есть фаза опоры значительно превышает фазу полета. У взрослых мужчин лет этот значение ритмического коэффициента равно 1,4. У сильнейших спринтеров этот показатель равен 0,8. Во многих видах спорта, например, толкании ядра, барьерном беге ритм является важнейшим критерием технического мастерства спортсмена.

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: Данное уравнение выражает закон вращательного движения тела. 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: 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.

Часто надо знать действие силы не во времени, а на каком-то участке пути. Например, при толкании ядра важна длина пути, на котором проявляется финальное усилие. Для характеристики действия, оказываемого силой на тело при некотором его перемещении, вводится понятие работы силы. Работа силы А — это мера действия силы на некотором участке перемещения тела под действием этой силы.

Численно работа силы равна произведению силы на путь. Работу производит только та сила, которая вызывает изменение скорости по величине. Работа положительна, если тело ускоряет движение. Работа силы тяжести равна произведению модуля силы на вертикальное перемещение точки ее приложения: Работа силы тяжести не зависит от вида траектории, по которой перемещается точка, а зависит лишь от координат тела.

Если этот груз спортсмен поднимает за тренировку 30 раз, то проделанная им работа будет равна: Мощность — физическая величина, численно равная совершенной работе, за промежуток времени: Мощность измеряется в Ваттах.

Если работу по поднятию груза тренажера равную Дж выполнить за 10 минут, мощность работы будет равна 5 Вт: Если эту же работу выполнить за 5 минут мощность работы будет составлять: Механическое состояние тела определяется его координатами и скоростью. В каждом механическом состоянии тело обладает определенным запасом энергии. Когда мы говорим о механической энергии, то представляем себе запас возможной, но еще не совершенной работы. Если тело совершает работу за счет механической энергии, то его механическая энергия уменьшается на величину совершенной работы.

Механическую энергию можно передать от одного тела к другому только путем совершения работы. Различают два вида механической энергии: Потенциальная энергия системы тел — энергия взаимодействия тел системы, обусловленная их взаимным расположением в пространстве. Потенциальной энергией всегда обладает система тел по крайней мере двух.

Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести зависит от расположения тела относительно Земли. Кинетическая энергия тела при поступательном движении — скалярная величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости: Кинетическая энергия при вращательном движении — скалярная величина, равная произведению момента инерции тела на квадрат его угловой скорости: Инерция — свойство тел сохранять скорость неизменной при отсутствии внешних воздействий.

Сама инерция не имеет меры измерителя. Но под действие сил разные тела изменяют свою скорость по-разному. Это их свойство инертность — имеет меру. Инертность — свойство физических тел, появляющееся в постепенном изменении скорости с течением времени под действием сил. Масса тела — мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется отношением приложенной силы к вызванному ею ускорению: В абсолютно твердом теле есть три точки, положение которых совпадает — центр масс ЦМ , центр инерции ЦИ и центр тяжести ЦТ.

Но это не тождественные понятия. В ЦМ пересекаются направления действия сил, любая из которых вызывает поступательное движение тела. Понятия ЦИ точка приложения всех фиктивных сил инерции и ЦТ точка приложения равнодействующей всех сил тяжести будут рассмотрены ниже.

Для вращательного движения понятию массы соответствует представление о моменте инерции. Момент инерции твердого тела собственный или центральный — это мера инертности тела при вращательном движении. Он определяется как сумма моментов инерции всех входящих в него частиц: Если ось вращения не проходит через ЦМ тела или вообще не связана с телом, то момент инерции относительно этой оси полный момент инерции тела можно представить состоящим из двух слагаемых.

А именно, центрального момента инерции тела относительно оси, проходящей через ЦМ и параллельной этой внешней оси, и произведения массы тела на квадрат расстояния между этими осями: Центральный момент инерции системы тел состоит из суммы центральных моментов инерции звеньев системы и суммы моментов инерции этих звеньев относительно ЦМ системы: Полный момент инерции системы тел слагается из ее центрального момента инерции относительно оси, проходящей через ее ЦМ и параллельной этой внешней оси, и произведения массы тела на квадрат расстояния между этими осями: 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. 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: Так как силы в движениях человека обычно переменны, а движения точек криволинейны, работа силы представляет собой сумму элементарных работ: Сила может совершать положительную и отрицательную работу — увеличивать или уменьшать энергию тела.

Работа силы тяжести тела равна произведению его веса на разность высот конечного и начального положений: При опускании тела работа силы тяжести положительная и наоборот. Работа силы упругости при удлинении Dl тела с коэффициентом жесткости С имеет выражение: Работа силы трения при прижимающей силе сила нормального давления — N , коэффициенте трения k на перемещении DS равна: 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: 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: Эффективность приложения сил в механике определяют по коэффициенту полезного действия к.

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: При вращательном движении кинетическая энергия тела имеет выражение: 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: 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: 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: Коэффициент механической эффективности движений энергетическая и пульсовая стоимость метра пути как характеристики экономичности двигательной деятельности человека. Одни возможности не огра-ничены их характеризуют степени свободы движения , другие полностью ограничены их характеризуют степени связи.

В биокинематических парах имеются постоянные степени связи которые определяют собой сколько как максимум и каких остается степеней свободы движения. Почти все биокинематические пары в основном вращательные шарнирные ; немногие допускают чисто поступательное скольжение звеньев относительно друг друга и лишь одна пара голеностопный сустав — винтовое движение. Биокинематические цепи тела человека: В незамкнутых цепях имеется свободное конечное звено, входящее лишь в одну пару.

В замкнутых цепях нет свободного конечного звена, каждое звено входит в две пары. Число степеней свободы движений соответствует количеству возможных независимых линейных и угловых перемещений тела. Тело, ничем не ограниченное в движениях может двигаться в любом направлении , называется свободным.

Наложение связей уменьшает количество степеней свободы табл. При закреплении двух точек в теле возможно вращение лишь вокруг линии оси , проходящей через обе точки см. По этой же причине, если рука в локтевом суставе согнута, возможны приведение и отведение локтевой кости в плечелоктевом сочленении например, при поворотах отвертки, штопора, ключа вокруг оси, проходящей вдоль второй пястной кости. Тем более это характерно для цепей с несколькими неодноосными суставами. Разбиение тела человекана звенья позволяет представить эти звенья как механические рычаги и маятники,потому что все эти звенья имеют точки соединения, которые можно рассматриватьлибо как точки опоры для рычага , либо как точки отвеса для маятника.

Рычаг характеризуетсярасстоянием между точкой приложения силы и точкой вращения. Рычаги бываютпервого и второго рода.

Рычаг первого рода илирычаг равновесия состоит только из одного звена. Пример — крепление черепа кпозвоночнику. Рычаг второго родахарактеризуется наличием двух звеньев. Условно можно выделить рычаг скорости ирычаг силы в зависимости от того, что преобладает в их действиях. Рычагскорости дает выигрыш в скорости при совершенствовании работы. Пример —локтевой сустав с грузом на ладони. Рычаг силы дает выигрыш в силе.

Пример —стопа на пальцах. Поскольку тело человекавыполняет свои движения в трехмерном пространстве, то его звеньяхарактеризуются степенями свободы, то есть возможностью совершать поступательные ивращательные движения во всех измерениях. Если звено закреплено в одной точке,то оно способно совершать вращательные движения и мы можем сказать, что оноимеет три степени свободы.

Закрепление звенаприводит к образованию связи, то есть связанному движению закрепленного звена сточкой закрепления. Поскольку руки и ногичеловека могут совершать колебательные движения, то к механике их движенияприменимы те же формулы, что и для простых механических маятников. Основныевывод их них — собственная частота колебаний не зависит от массы качающегосятела, но зависит от его длины при увеличении длины частота колебанийуменьшается.

Делая частоту шагов приходьбе или беге или гребков при плавании или гребле резонансной то есть близкой ксобственной частоте колебаний руки или ноги , удается минимизировать затратыэнергии. При наиболее экономичном сочетании частоты и длины шагов или гребковчеловек демонстрирует существенный рост работоспособности. Костные рычаги — звенья тела, подвижно соединенные всуставах под действием приложенных сил, — могут либо сохранять свое положение,либо изменять его. Они служат для передачи движения и работы на расстояние.

Все силы, приложенные к звену как рычагу, можнообъединить в две группы: Рассматривая действие сил на рычаг, учитывают только силы, направленные по ходудвижения движущие и против него тормозящие. Когда группы сил приложены по обе стороны от оси точки опоры рычага, его называют двуплечим или рычагом первого рода рис. Для разных мышц, прикрепленных в разных местах костного звена, рычаг может бытьразного рода. Так, относительно своих сгибателей предплечье при работе противвеса груза представляет собой одноплечий рычаг; относительно жемышц-разгибателей при удержании груза над головой — двуплечий рычаг.

При преодолевающих движениях сила сокращающихсямышц их равнодействующая тяга — движущая сила, при уступающих движениях силарастягиваемых мышц их равнодействующая тяга — тормозящая. Силы сопротивлениянаправлены противоположно действию мышц.

Мерой действия силы на рычаг служит ее моментотносительно точки опоры произведение силы на ее плечо. Механические свойства мышц упругость, ползучесть, вязкость, прочность, жесткость, податливость и релаксация и их использование в практике спорта. Двигательная деятельность человека происходит при помощи мышечной ткани, обладающей сократительными структурами.

Работа мышц осуществляется благодаря сокращению укорачиванию с утолщением миофибрилл, которые находятся в мышечных клетках. Работа мышц осуществляется посредством их присоединения к скелету при помощи сухожилий. К биомеханическим свойствам мышц относят сократимость, упругость, жесткость, прочность и релаксацию. Сократимость — это способность мышцы сокращаться при возбуждении.

В результате сокращения происходит укорочение мышцы и возникает сила тяги. Упругость мышцы состоит в ее способности восстанавливать первоначальную длину после устранения деформирующей силы. Существование упругих свойств объясняется тем, что при растяжении в мышце возникает энергия упругой деформации.

При этом мышцу можно сравнить с пружиной: Это явление широко используется в спорте. Например, в хлесте предварительно растягиваются и параллельный, и последовательный упругий компонент мышц, чем накапливается энергия. Запасенная таким образом энергия в финальной части движения толкания, метания и т.

Аналогия мышцы с пружиной позволяет применить к ее работе закон Гука, согласно которому удлинение пружины нелинейно зависит от величины растягивающей силы. Жесткость — это способность противодействовать прикладываемым силам. Коэффициент жесткости определяется как отношение приращения восстанавливающей силы к приращению длины мышцы под действием внешней силы: Величина, обратная жесткости, называется податливостью мышцы.

Прочность мышцы оценивается величиной растягивающей силы, при которой происходит разрыв мышцы. Сила, при которой происходит разрыв мышцы составляет от 0. Однако, при очень быстрых движениях возможен разрыв более прочного сухожилия, а мышца остается целой, успев самортизировать.

Релаксация — свойство мышца, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине мышцы. Релаксация проявляется, например, при прыжке вверх, если во время глубокого приседа спортсмен делает паузу. Чем пауза длительнее, тем сила отталкивания и высота выпрыгивания меньше. Мышцы-синергисты перемещают звенья тела в одном направлении.

Например, при сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плече-лучевая мышцы и т. Результатом синергического взаимодействия мышц служит увеличение результирующей силы действия.

При наличии травмы, а также при локальном утомлении какой-либо мышцы ее синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия. Мышцы-антагонисты имеют, наоборот, разнонаправленное действие. Так, если одна из них выполняет преодолевающую работу, то другая — уступающую. Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции.

Так кости черепа и грудной клетки защищают внутренние органы, а кости позвоночника и конечностей выполняют опорную функцию. Выделяют 4 вида механического воздействия на кость: Установлено, что прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна.

При сжатии прочность костей еще выше. Самая массивная кость — большеберцовая основная кость бедра выдерживает силу сжатия в 16—18 кН.

Менее прочны кости на изгиб и кручение. Однако регулярные тренировки приводят к гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов — кости предплечья и т. Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую хранит суставная сумка. Синовиальная жидкость обеспечивает уменьшение трения в суставе примерно в 20 раз.

При этом при снижении нагрузки на сустав жидкость поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении нагрузки она выжимается для смачивания поверхности сустава и уменьшения коэффициента трения. Очень часто для того, чтобы понять механизм работы объекта, его заменяют адекватной моделью.

Модель — образ объекта, который содержит его характерные черты. Вначале предполагали, что мышца может моделироваться системой, состоящей из двух компонентов: Последнее изменение этой страницы: Все права принадлежать их авторам. Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления. Понятие о биомеханическом анализе. Внешними F i E называют силы, действующие на точки системы со стороны точек или тел, не входящих в состав данной системы.

Внутренними F i I называют силы, с которыми точки или тела одной системы действуют друг на друга. При овладении техникой двигательных действий нужно стремиться к возможно более полному использованию всех движущих сил при одновременном уменьшении сил тормозящих. Внутренние силы обладают следующими свойствами: Геометрическая сумма всех внутренних сил системы равняется нулю. Используя принцип Пуансо см.

Для твердого тела при приведении сил инерции к центру масс получаем:

Смотрите также:
  1. Google вам в помощь! Если же скорость вращения вала изменяется в широких пределах до 1: В этой схеме возможно добиться увеличения пускового момента, и при этом перегрузочная способность Д не меняется.

  2. Работа силы тяжести равна произведению модуля силы на вертикальное перемещение точки ее приложения: Различают два вида механической энергии: Делая частоту шагов приходьбе или беге или гребков при плавании или гребле резонансной то есть близкой ксобственной частоте колебаний руки или ноги , удается минимизировать затратыэнергии.

Написать комментарий

:D:-):(:o8O:?8):lol::x:P:oops::cry::evil::twisted::roll::wink::!::?::idea::arrow: