Динамические характеристики

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.