7.Енергетични характеристики

(резюме)

Работа  = Сила  x  Преместване A = F. S

Мощност = Работа : Време N = A / t

Кинетична енергия ( Ек) е компонентата на механичната енергия на тялото, която е резултат на неговото движение :

                                                   Eк = ½ . m. V2

Потенциална енергия  (Eп) е компонентата на механичната енергия на едно тяло, която се дължи на положението му спрямо земната повърхност. Зависи от теглото на тялото (m.g ) и височината h, на която е повдигнато :

                                                Еп = m . g . h

(край на резюмето)

F

 
7.1.Работа, мощност и енергия  при постъпателно движение

Работа

Определение: Силата F, приложена на едно тяло, извършва работата A  ако предизвика преместването на това тяло на разстояние d. При изометрично действие на силата, докато няма преместване на тялото, работа не се извършва.
Математичен израз: 

                                         Работа  = Сила  x  Преместване A = F. S

Единица:  Nм  (нютон метър), или  J  (джаул)   1 Nm = 1 J

В най-общ случай въздействащата сила е приложена под ъгъл спрямо направлението на движение на тялото и тогава големината на извършената работа се изчислява по формулата : 

                                                    A = F.cosθ.d

Фиг. 61 Преместване на тялото под въздействието на силата F на разстояние d

Ако силата действаше по направление на движението, ъгълът  θ = 00 и cos00  = 1 извършената работа ще бъде с големина  А = N .cos00 .d = N .1 .d  [Nm]

 В плувните, гребните и в спортовете с цикличен характер извършената работа е точен критерий за тренировъчния и състезателен процес. Приложената сила на загребване в плувните дисциплини предизвиква преместването на спортиста по състезателното разстояние. Високата скоростно-силова издръжливост се характеризира с поддържане на устойчива сила на загребване за всичките загребни цикли.     

В следващия пример е показано упражнение с щанга повдигната от изходно положение до 0,8 м с насочена право нагоре със сила 1000 N.  Големината на извършената работа е :

А = F.S = 1000 N . 0,8 м = 800 Nм = 800 J

 Bench Press                      

Фиг. 62 Скоростно-силова издържливост

Измерването на извършената работа чрез двигателен тест се нарича ергометрия. При ергометрия на бягаща пътека (тредбан) извършената работа се определя по формулата :              

                                            Работата = m. g. t. V

където :

m.g е теглото на спортиста (маса . земното ускорение)                                                                                                                                                                                 t е времето (продължителност на теста),V е скоростта на лентата на тредбана                                                                      

Мощност

Мощност е способността да се извърши дадена работа за определено време

Символ: Р

Математичен израз:  

                               Мощност  = Работа  :  Време N = A / t

Мощността се определя не само от извършената работа, но и от времето, за което тя е извършена, т.е. от скоростта, с която се извършва дадената работа.                         

Стандартна единица:  Watt (ват), или  J/sec (джаул за секунда)

1 Watt = 1  Nм/sec          

                             Мощност (P) = Работа (A)  :  Време (t)

Ако се използва примерът с щангата за определяне мощността на атлета, като времето за повдигане е 2 sec  се получава резултатът:

                           P  = 800 Nм : 2 sec = 400 Watt = 400 J/sec 

Друг начин за определяне на мощността е чрез действащата сила F и скоростта V, с която е осъществено преместването на разстояние d :

                                      P = A : tF . d / t = F. V

Ако векторните величини сила и скорост не са успоредни (т.е. силата е приложена под някакъв ъгъл θ спрямо направлението на движение на тялото) мощността се изчислява по формулата :

                              P = A : tF.cosθ. d / t = F. V. cosθ

Енергия е способността да бъде извършена дадена работа

От различните форми на енергията интерес за биомеханиката представлява механичната енергия, т.е. способността да бъде извършена механична работа.

Символ : Е

Стандартна единица : N.м   или  J

Скаларна величина – има големина, но няма посока

Енергията е кинетична (енергия на движението), или потенциална (енергия на положението).

Кинетична енергия ( Ек) е компонентата на механичната енергия на тялото, която е резултат на неговото движение :

                                                   Eк = ½ . m. V2

От формулата следва, че кинетичната енергия може да бъде равна на нула (когато V = 0), но никога не е отрицателна.

Ако се разгледа пример с определяне на кинетичната енергия на скиор с маса m = 70 kg , който се спуска със скорост  V = 25 м/sec е, щке се получи резултатът :

            Eк = ½ . m. V2 = ½ . 70 kg . (25 м/sec)2

Eк = 21875 kg.м/s2. м  = 21875  N.м = 21875 J (1 kgм/s2 = 1 N)

Потенциална енергия  (Eп) е компонентата на механичната енергия на едно тяло, която се дължи на положението му спрямо земната повърхност. Зависи от теглото на тялото (m.g ) и височината h, на която е повдигнато :

                                                Еп = m . g . h

Фиг. 63 Кинетична и потенциална енергия

Тяло, което се е деформирало под действието на сила, също притежава потенциална енергия зависеща от еластичните сили

 Sel = ½  k . ΔX2  k  е константа зависеща от материала, ΔХ  е степента на деформация

Правило на Хелмхолц за запазване на енергията  TE = KE + PE

TE представя тоталната енергия

КЕ представя кинетичната енергия

РЕ представя потенциалната енергия

Енергията преминава от потенциална в кинетична и обратно без загуба.