Энергетические характеристики

Переходим к рассмотрению энергетических характеристик. Большинство из них вычисляется из кинематических и динамических характеристик.

Механическая работа есть произведение силы на перемещение:

.

Например, для того чтобы подняться по канату на высоту 5 м, мальчик с массой тела в 30 кг выполняет работу около 1500 джоулей:

30 кг 9,8 м/с 5 м 300 Н 5 м = 1500 Дж.

Если этот подъём длится 10с, развиваемая мальчиком мощность равна 1500 Дж: 10 с = 150 Вт. Это значительная мощность (вспомните, как ярко светит такая электрическая лампочка).

Мощность механической работы вычисляется по формуле

.

Последний переход в преобразовании формулы особенно важен. Он даёт возможность определить мощность коротких интенсивных движений (например, ударов по мячу, боксерских ударов и других ударных действия), когда механическую работу определить трудно, но можно измерить силу и скорость. Так, при ударе классного футболиста по мячу сила действия может достигать 400 Н, а скорость вылета мяча 30 м/с. В этом случае развиваемая мощность составляет 12000 Вт. Образно говоря, при таком ударе на короткий миг зажигается 120 электрических лапочек, по 100 Вт каждая.

Совершаемая человеком механическая работа расходуется на увеличение потенциальной и кинетической энергии человеческого тела, спортивных снарядов и других предметов.

Потенциальная энергия ( ) и кинетическая энергия тела в поступательном ( ) и вращательном ( ) движениях определяются по формулам:

; ; ,

где g= 9,8 м/с – ускорение свободно падающего тела, h – высота центра масс тела над поверхностью земли, v – линейная скорость, w – угловая скорость, m – масса, J – момент инерции.

Полная энергия движущего тела согласно теореме Кенига равна сумме его потенциальной энергии и кинетической энергии в поступательном и вращательном движениях:

.

До сих пор речь шла о механической работе и мощности. Но, как известно, в форму механической энергии превращается меньшая часть энергии, образующейся в мышцах. Большая её часть переходит в тепло.

Подобно тому, как технические машины (автомобиль, тепловоз) характеризуются коэффициентом полезного действия, экономичность двигательного аппарата человека описывается рядом аналогичных показателей. В их числе:

Коэффициент механической эффективности:

,

где: КМЭ – коэффициент механической эффективности; Е – количество метаболической энергии (метаболическая энергия образуется в клетках нашего тела в результате трех типов биохимических реакций: креатинкиназной, анаэробного гликолиза и окислительного фосфорилирования), Дж; Ė – скорость её расходования, Вт;

Энергетическая стоимость метра пути или единицы полезной работы. Для того чтобы определить энергетическую стоимость бега, нужно разделить скорость расходования метаболической энергии на скорость бега:

;

Пульсовая стоимость метра пути или единицы полезной работы; например, пульсовая стоимость ходьбы, бега и других циклических локомоций вычисляется по формуле:

.

Пульсовую стоимость проще измерить, чем энергетическую. И кроме того, в некоторых ситуациях пульсовая стоимость информативнее энергетической (например, при биомеханическом контроле за двигательной деятельностью в условиях жары).

Биомеханические характеристики – один из хрестоматийных вопросов биомеханики. Без свободного владения сведениями о биомеханических характеристиках так же нельзя рассчитывать на успех в изучении и практическом применении биомеханики, как невозможно считать книгу, не зная алфавита.