Действие на сили косо спрямо опората

Действие на сили косо спрямо опората, минаващи през ОЦТ

(резюме)

Когато действието на силите на спортиста са насочени косо (под някакъв ъгъл) спрямо опората описанието може да се представи като се използва обяснението на действието на силите за вертикалното им положение спрямо опората. За по-лесно обяснение диаграмата на вертикалните сили може да се постави под ъгъл спрямо опората. Мускулната сила на спортиста действа по направлението свързващо ОЦТ и контакта с опората в две приложни точки - едната е ОЦТ, а другата е контактът на стъпалото с опората - Fm (мускулна сила приложена в ОЦТ), m.a (инерчна сила в ОЦТ), Fm' (мускулна сила приложена в контакта с опората и насочена надолу и назад) и R (реакция на опората приложена в контакта с опората). Силата на тежестта P действа само във вертикално направление.

За привеждането на диаграмата за косо действие на силите към разгледания случай на вертикално им действие трябва да се направят хоризонтални и вертикални проекции на силите. По вертикалното направление действат силите Fmy, P, m.a, Ry и Fmy' . В хоризонтално направление са приложени силите - в ОЦТ са Fmx и m.ax, а в точката на контакта на стъпалото с опората са Rx и Fm'x. Така уравнението придобива вида - във вертикално направление Fmy = P + m.ay | Ry = Fmy'

а в хоризонтално направление са Fmx = m.ax | Rx = Fmx'

э

(край на резюмето)

При по-голяма част от случаите в спортната практика силите действат в направление, което сключва някакъв ъгъл спрямо опората (всички видове бягания, ходене, скокове и др.). В случая е необходимо силите да се разложат на своите x и y слагаеми по правилото на паралелограма като се прокарат перпендикуляри към координатните оси. Трябва да се има предвид и обстоятелството, че мускулът на долните крайници, при съкращението си произвежда сили в двете точки на свързване на мускула с крайника. Когато проекцията на ОЦТ е изнесена напред хоризонтално пред опората върху задно поставения крайник, фазата се нарича отласкване. Амортизация е когато спортистът спира движението си чрез поставяне на долния крайник пред вертикалната проекция на ОЦТ. Ускоряването и спирането на масата на тялото предизвиква появяване на инерчна сила на Даламбер, която е с противоположна посока на движението на спортиста. Като се има предвид, че посоката на мускулната сила в ОЦТ винаги съвпада с посоката на движение, то инерчната сила винаги е противоположна на мускулната сила (първи закон на Нютон). В контакта с опората винаги възниква реакция на опората, заради третия закон на Нютон (за действието и противодействието на силите).

Диаграмата на силите във вертикално направление и диграмата на силите в хоризонтално направление дава общата диаграма на силите насочени под ъгъл (косо) спрямо опората.

      

Действие на сили косо спрямо опората, минаващи през ОЦТ                 Разпределение на силите в ОЦТ

Хоризонталната компонента F´Mx  на мускулната сила F´M  реализира хоризонталното преместване на тялото. Допълнителните инерчни сили (- max  и  - may ) уравновесяват действието на силите в ОЦТ, който е изнесен пред опорната площ при стартово ускорение (на най-дясно разположената фигура) На показаните фигури проекцията на ОЦТ е изнесена напред хоризонтално пред опората върху задно поставения крайник в отласкване.

І. Действащи сили по х направление мускулни сили FMx  и  F´Mx   - вътрешни сили, Rx   - пасивна външна сила, max  - инерчна сила, Р - сила на теглото

Уравнението на силите е: FMx  = m . ax действащите в противоположни посоки сили са поставени от лявата и дясната страни на равенството, а вертикалната сила на теглото не участва.

Това уравнение за окончателното действие на силите върху спортиста може да се състави само от разпределението им в ОЦТ, показано на най-дясно разположената фигура, откъдето може да се определи ax ,

(подадената сила F´Mx към опората е върната като реакция на опората Rx и двете сили взаимно се елимират, според третия закон на Нютон). Уравнението е :

Силата FMx  нараства най-много при дълъг скок, определяща за движението на спортиста, защото е свързана с ОЦТ на тялото и създава ускорение върху масата му.

ІІ. Действащи сили по y направление

FMy  и F´My – вътрешни сили Р – активна външна сила Ry – пасивна външна сила, may  - инерчна сила (на най-дясно поставената фигура)

Уравнението на силите е:FMy  = Р + m . ay действащите в противоположни посоки сили са поставени от лявата и дясната страни на равенството. Това са силите действащи в ОЦТ и са валидни за преместването на ОЦТ, а оттам и на тялото на спортиста.

Това уравнение за окончателното действие на силите върху спортиста може да се състави само от разпределението им в ОЦТ, показано на най-дясно разположената фигура, откъдето може да се определи ay , (подадената сила F´My към опората е върната като реакция на опората Ry и двете сили взаимно се елимират съгласно третия закон на Нютон). Уравнението е

Зависимостта на ay от определящите го величини е:

FMy  > Р , при + ay  движението на ОЦТ е ускорително 

FMy  = Р , при ay = 0 движението на тялото продължава с постоянна скорост

FMy  < Р , при - ay  движението на ОЦТ спира Ускорението в хоризонталното направление (ax) е зависимо единствено от мускулната сила (FMx). То може да бъде положително, отрицателно и нулево.

Мускулната сила FM  и нейните слагаеми FMx  и FMy  образуват правоъгълен триъгълник.

Силите FMy , FMx, Р са определящи за движението на спортиста, защото са свързани с ОЦТ на тялото и създават ускорение върху масата му.

FMx  = m . ax~~~~~~~~~~FMy  = Р + m . ay

FMx  се явява като прилежащ, а FMy  като срещулежащ катет. Следователно първата е в зависимост от cos α, а втората от sin α. Като се изменя големината на ъгъл α, може да се измени и големината на слагаемите FMx  и FMy , а следователно и големината на αх и αy.αy добива значителни стойности при висок скок.

Разпределението на силите показано на фигурите отляво надясно показва, че мускулната сила FM е насочена напред по посока на движението, а инерчната сила Fi е насочена назад срещу посоката на мускулната сила. Спортистите се намират в отласкваща фаза. В отласкване са гюлетласкачът и копиехвъргачът. Тенисистът осъществява удар по топката и едновременно с това трябва да спре движението си. В този случай в ОЦТ на спортиста разпределението на силите е такова, че мускулната сила FM е насочена назад, а инерчната сила (m.ax) е насочена напред в стремежа да се продължи движението на тялото. Тенисистът се намира във фаза на амортизация. На фигурата с хандбалиста изпълняващ удар с отскок е изобразена цялостната структура на силите. Трябва да се обърне внимание на факта, че мускулната сила на спортиста Fm и инерчната сила Fi приложени в ОЦТ са с противоположни посоки. При преминаването от фазата на амортизация в отласкване, силите разменят посоките си.

При стрелба с отскок в баскетболен кош е показано разположението на тялото в началото на приземяването, подготовката и отскока със стрелба. Кинематичната верига се характеризира с изоставане на проекцията на ОЦТ спрямо стъпалата. Това състояние предизвиква възникване на хоризонтална съставляваща на амортизиращата сила проявена в контакта с опората.

При приклякането Fmy  < P вертикалното ускорение  облекчава натоварването върху стъпалата в момента на контакта с опората. Това съответства на преобразуването на кинематичната верига и заставането на ОЦТ във вертикално положение спрямо стъпалата. Наблюдава се траекторията на минималното преместване на ОЦТ, което намалява силата на натиска (теглото P) и съответства на максималното сгъване на долните крайници.

Фазата на оттласкване на баскетболната топка се характеризира със замахване с ръцете, които я изхвърлят със сила съдържаща вертикална и хоризонтална компоненти. Придобитата от топката скорост е сумарната получена от изтласкването с ръцете и скоростта на тялото при отскока. Върху тялото действа вътрешната сила на горните крайници приложена върху топката и в ОЦТ.

Пример: При движение на спортиста по криволинейна траектория възниква инерчна сила според първия закон на Нютон приложена в ОЦТ на тялото, заради предизвиканото отклонение на тялото от праволинейно движение. Тя се нарича инерчна центробежна сила и е насочена към външната част на криволинейната траектория на движение и предизвиква накланяне на тялото за запазване на равновесието. Спортовете при които действа тази инерчна сила са ски алпийски и бегови дисциплини, хвърляне на чук, автомобилизъм, бягане по криволинейна траектория, фигурно пързаляне, шорттрек, колоездене, мотоциклетизъм и др. В контакта с опората е приложена сумарната сила представляваща векторната сума на центробежната сила Fцб и силата на теглото P. Резултантната сила F рез се получава като диагонала на успоредника и е насочена към опората на спортиста (при скиора е насочена към външната ска). В контакта с опората възниква и опорна реакция R насочена в обратната посока на Fрез. Двете сили Fрез и R се уравновесяват взаимно понеже действат едновременно в контакта с опората, според третия закон на Нютон . Fрез предизвиква нарастване на приложената от долните крайници мускулна сила в стъпалата, която от своя страна увеличава компонентата си приложена в туловището (ОЦТ), заради наличието на инерчна центробежна сила Fцб. Инерчната сила предизвиква допълнително натоварване на мускулния апарат на долните крайници чрез кинематичната верига на тялото. Това отговаря на повишение на натиска върху стъпалата на спортиста и затова при спускане и гигантски слалом вътрешният крак на спортиста остава в изправено положение, за да поеме увеличения натиск. Изправеното му положение позволява да нарастне стабилизиращият равновесието въртящ момент образуван от произведението на силата на теглото и рамото му, което е дължината на изправения крак. Подобно е разпределението на силите и при дисциплината хвърляне на чук. Разликата се състои в това, че центробежната сила е приложена върху тялото на чука, тъй като той изпълнява движение по криволинейна траектория. За компенсиране на събарящата центробежна сила в обратна посока действа центростремителната сила, която включва мускулната сила на спортиста и компенсиращото наклоняване на спортиста в противоположната на чука страна.

Ако приложим формулата за спорта автомобилизъм, може да изчислим допустимата скорост на радиуса на завоя, според масата на автомобила. При ски дисциплините възниква и центробежна сила заради промяна на траекторията във вертикално направление. Това се получава при движение на скиора или сноубордиста при терени от типа на тези при халфпайп, при преминаване на бабуна и др. Във всички тези случаи от спортиста се изисква точно дозиране на силата върху терена, за да се запази максималната скорост на преминаване през състезателното трасе - спускане, слалом, гигантски слалом и др. без да се загуби равновесие. Общата сила действаща върху контакта с опората е векторна сума от центробежната сила и силата на теглото.