Как происходит рекуперация энергии в двигательных действиях

§ 24. Биоэнергетика двигательных действий

В двигательных действиях происходит превращение одних видов энергии в другие (химической в механическую и тепловую) и преобразование механической энергии (кинетической в потенциальную и наоборот). Изучение источников энергии, путей ее перехода, условий индивидуального использования и ее потерь необ­ходимо для совершенствования систем движений.

24.1. Превращение и преобразование энергии в двигательных действиях

Подвод энергии в биомеханическую систему совершается в ре­зультате: а) превращения химической энергии в механическую по­тенциальную напряженной мышцы, б) перехода работы внешних сил в кинетическую энергию биомеханической системы и потенциальную энергию деформированных мышц и перемещаемого тела. Энергия расходуется на:

а) производительную работу; б) непроизводительные затраты, связанные с ее превращением и рассеянием энергии; в) пре­образование ее при накоплении в растянутой мышце.

Механическое движение человека сопровождается изменением ме­ханического состояния его тела; это состояние определяется энергией биомеханической системы. Величина и характер расхода энергии при движениях зависят от особенностей движений. Коль скоро происходит расход энергии, необходим и подвод энергии.

Существует, по меньшей мере, два источника энергии, используемой в движениях. Первый источник — запасы химической энергии. Этот источник находится в мышцах, других органах и крови. В мышцах происходят химические реакции и возникает напряжение в сократительных элементах: химическая энергия превращается в механическую — потенциальную энергию упруго деформированных эле­ментов мышц (рис. 38,1). Второй источник энергии движений — это механическая энергия внешнего окружения (внешних тел, среды, парт­неров и противников). Она передается телу посредством работы внешних сил: а) кинетическая энергия движущихся объектов (рис. 38,2) (например, бросок, выполненный противником в борьбе) и б) потен­циальная энергия положения (рис. 38,3) (например, движение вниз

при соскоке с перекладины в поле земного тяготения), В этих случа­ях спортсмен движется пассивно. Все активные движения совер­шаются благодаря преобразова­нию потенциальной энергии на­пряженных мышц в кинетиче­скую энергию звеньев тела и всего тела в целом (рис. 38, 4). Силы тяги мышц совершают работу. Напомним, что работа силы — процесс изменения энергии (со­стояния). Всегда, когда изменяет­ся количество или форма энергии, это следствие работы сил.

Приобретенная энергия не всегда тотчас же расходуется. Не­израсходованная энергия нака­пливается. Химическая энергия «запасается» благодаря питанию и дыханию человека. Она превра­щается в механическую (потенци­альную) энергию напряженных мышц. Накопление энергии в мышцах происходит и другим путем: когда мышцы растяги­ваются в уступающей работе, тор­мозя движение звеньев тела. Кинетическая энергия последних преобразуется в потенциальную энергию упруго деформированных мышц (рис. 38, 5). Наконец, накопле­ние энергии может быть в виде потенциальной энергии тела человека, когда он поднимает себя против сил тяжести (рис. 38, 6).

Превращение и преобразование энергии в двигательных действиях

В двигательных действиях происходит превращение одних видов энергии в другие (химической в механическую и тепловую) и преобразование механической энергии (кинетической в потенциальную и наоборот). Изучение источников энергии, путей ее перехода, условий индивидуального использования и ее потерь необ­ходимо для совершенствования систем движений.

Подвод энергии в биомеханическую систему совершается в ре­зультате: а) превращения химической энергии в механическую по­тенциальную напряженной мышцы, б) перехода работы внешних сил в кинетическую энергию биомеханической системы и потенциальную энергию деформированных мышц и перемещаемого тела. Энергия расходуется на:

а) производительную работу; б) непроизводительные затраты, связанные с ее превращением и рассеянием энергии; в) пре­образование ее при накоплении в растянутой мышце.

Механическое движение человека сопровождается изменением ме­ханического состояния его тела; это состояние определяется энергией биомеханической системы. Величина и характер расхода энергии при движениях зависят от особенностей движений. Коль скоро происходит расход энергии, необходим и подвод энергии.

Существует, по меньшей мере, два источника энергии, используемой в движениях. Первый источник — запасы химической энергии. Этот источник находится в мышцах, других органах и крови. В мышцах происходят химические реакции и возникает напряжение в сократительных элементах: химическая энергия превращается в механическую — потенциальную энергию упруго деформированных эле­ментов мышц (рис. 38,1). Второй источник энергии движений — это механическая энергия внешнего окружения (внешних тел, среды, парт­неров и противников). Она передается телу посредством работы внешних сил: а) кинетическая энергия движущихся объектов (рис. 38,2) (например, бросок, выполненный противником в борьбе) и б) потен­циальная энергия положения (рис. 38,3) (например, движение вниз

при соскоке с перекладины в поле земного тяготения), В этих случа­ях спортсмен движется пассивно. Все активные движения совер­шаются благодаря преобразова­нию потенциальной энергии на­пряженных мышц в кинетиче­скую энергию звеньев тела и всего тела в целом (рис. 38, 4). Силы тяги мышц совершают работу. Напомним, что работа силы — процесс изменения энергии (со­стояния). Всегда, когда изменяет­ся количество или форма энергии, это следствие работы сил.

Приобретенная энергия не всегда тотчас же расходуется. Не­израсходованная энергия нака­пливается. Химическая энергия «запасается» благодаря питанию и дыханию человека. Она превра­щается в механическую (потенци­альную) энергию напряженных мышц. Накопление энергии в мышцах происходит и другим путем: когда мышцы растяги­ваются в уступающей работе, тор­мозя движение звеньев тела. Кинетическая энергия последних преобразуется в потенциальную энергию упруго деформированных мышц (рис. 38, 5). Наконец, накопле­ние энергии может быть в виде потенциальной энергии тела человека, когда он поднимает себя против сил тяжести (рис. 38, 6).

А каковы же затраты механической энергии тела человека Естественно, что когда человек двигается, он затрачивает кинетиче скую энергию на передвижение своего тела и движимых им внешни тел (например, метание диска) (рис. 38,7). Работа против внешних си. идет за счет уменьшения механической энергии тела, с увеличение! кинетической энергии внешних тел. Как известно, затраты кинетиче ской энергии бывают производительными (на решение двигательно задачи) и непроизводительными (против вредных сопротивление например сил трения). Возможны затраты кинетической энергии тела как уже упоминалось, и на превращение ее в потенциальную (рис. 38,6 (например, движение вверх в висе на перекладине после маятникооб разного движения вниз). Ранее были названы способы затраты ки нетической энергии на накопление потенциальной энергии как в мышца (рекуперация 1 энергии), так и во всем теле в поле земного тяготения.

1 Рекуперация (лат.) — получение вновь (подробнее см. 24.2).

При всех изменениях энергии значительная часть ее превращается в тепловую и рассеивается (рис. 38, б). По закону сохранения энергии она не исчезает; но механическая энергия, превращаясь в тепловую, теряется в процессе механической работы. Из затрат механической энергии не более 1/4 идет на механическую работу (к.п.д. 20—25%).

Такова несколько упрощенная схема превращения и преобразования энергии при движениях человека.

Поделиться с друзьями:

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

studopedia.su — Студопедия (2013 — 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление

Генерация страницы за: 0.011 сек.

Рекуперация энергии

Рекуперация — это накопление энергии. Она может быть достигнута несколькими путями.

1. Переход кинетической энергии в потенциальную и обратно.

Например, во время ходьбы при отталкивании от опоры тело поднимается вверх, что можно проследить по траектории движения точки ОЦТ (рис. 00). Подъем осуществляется за счет кинетической энергии Но так как ОЦТ поднимается над землей, то накапливается потенциальная энергия. Во время переноса ноги, выполнившей отталкивание, ОЦТ опускается. Это происходит за счет накопившейся потенциальной энергии. Во время опускания потенциальная энергия переходит в кинетическую. В следующем шаге все повторяется. В результате накопления энергии и перехода ее в другой вид значительно повышается экономичность ходьбы, несмотря на частичное рассеивание энергии.

2. Использование потенциальной энергии упругости мышц.

В результате движения звеньев происходит растягивание упругих компонентов мышц. Они в это время накапливают потенциальную энергию упругой деформации, которая вносит свой вклад в силу тяги мышц в момент их последующего за растяжением сокращения. Рациональное использование упругих сил мышц позволяет повысить экономичность их работы в 2 раза.

Болховских Р. Н., Коц Я. М.-Теор. и практ. физич. культ.,1972, № 12, с. 66-68.

Воробьев А. Н., Сорокин Ю. К. Анатомия силы. -2-е изд., доп.

— М.: Физкультура и спорт, 1978. — 80 с.

Донской Д.Д., Зациорский В. М. Биомеханика. Уч-ник для ин-тов физ. культ. — М.: Физкультура и спорт, 1979. — 264 с.

Зациорский В. М. Физические качества спортсмена. М., ФиС, 1966, 1970.

Зациорский В. М., Аруин А. С., Селуянов В. Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. — М.: Физкультура и спорт,

Иваницкий М.Ф.Анатомия человека. — М.: Физкультура и спорт, 1985. — 544 с.

Коц Я. М., Болховских Р. Н. Физиология человека,1975, т. 1,№ 2, 366-370.

Клиническая биомеханика / Под ред. В. И. Филатова.- Л.: Медицина, 1980. — 200с.

Лысенков Н. К., Бушкович В. И., Привес М. Г. Учебник нормальной анатомии человека. — Л.: Медгиз, 1958. — 784 с.

Никитюк Б. А., Гладышева А. А. Анатомия и спортивная морфология. Практикум. — М.: Физкультура и спорт, 1989. — 176 с.

Основы физиологии человека. Учебник для высших учебных заведений, в 2 — х томах, под ред. академ. РАМН Б. И. Ткаченко. — СПб., 1994. Т.1 — 567 с., т.2 — 413 с.

Проблемы прочности в биомеханике: Учеб. пособие для технич.и биол.спец.вузов / Под ред.И. Ф. Образцова. — М.: Высш.шк., 1988. — 311 с.

Хабиров Ф. А., Хабиров Р. А. Мышечная боль. — Казань.: Книжный дом, 1995. — 205 с.

Шалдин В. И. Методика определения анатомического поперечника мышц с целью контроля за их силой тяги в процессе силовой подготовки. — В кн. Физическая культура и Олимпийское движение Урала: Тез. конф. Удм. ун-та. Ижевск, 1995 с. 203.

Шалдин В.И., Простова Л. И. Анатомический поперечник мышц звеньев конечностей в контроле их силы во время силовой подготовки. — В кн.: Проблемы развития физической культуры и спорта в условиях Сибири и Крайнего Севера: Сб. науч. статей. — Омск, СибГАФК, 1995. с. 54-56.

Belotti., Fucci S. Atletico, 1973, N 7, 86 p. 45 Бранков Георги. Основни въпроси на биомеханиката. Jusautor, Sоfia,

1978. Fick A., 1867/Cited by Fick R. 1911.

Глазер Р. Очерки основ биомеханики: Пер. с нем. — М.: Мир,

Ikai M., Fukunaga T. Internat. Z-t angew.Physiologie, 1968, v. 26, p. 26-32.

Schumacher G. N., Wolff E. Anat7 Anz., 19666 Bd. 119, N 3, s. 259-269.

6. Рекуперация – это накопление энергии упругой деформации связок и сухожилий, которая характеризуется их растяжением.

Количество накапливаемой энергии зависит от многих параметров и в первую очередь от работы мышц, связок и сухожилий.

Рекуперация энергии в движениях человека осуществляется двумя способами.

Во-первых, кинетическая энергия движения может переходить в потенциальную энергию гравитации (сил тяжести), Например, в обычной ходьбе наивысшему положению ЦМ тела (максимуму потенциальной энергии) соответствует минимум кинетической энергии, и наоборот, кинетическая энергия тела самая большая, когда его ОЦМ находится в самом низком положении. Образно можно себе представить, что ОЦМ движется как шарик, катящийся по неровной поверхности: на подъемах кинетическая энергия переходит в потенциальную, а на спусках – наоборот. Благодаря этому полная механическая энергия тела (т. е. сумма его кинетической и потенциальной энергии) сохраняется. Разумеется, это сохранение не стопроцентное — значительная часть энергии рассеивается. Но все, же благодаря описанному явлению экономичность ходьбы значительно повышается.

Во-вторых, кинетическая энергия движения превращается в потенциальную энергию упругой деформации мышц, а накопленная потенциальная энергия частично снова превращается в работу – идет на сообщение скорости телу и его подъём. В модельных опытах (прыжки на месте) показано, что рациональное использование упругих сил мышц может повысить экономичность работы более чем в 2 раза.

7. Выносливость — это способность человека преодолевать утомление и эффективно действовать при этом.

Если человек длительное время выполняет какое-то двигательное задание, то его движения можно классифицировать:

— по интенсивности (скорость, сила и т.д.);

— по объему (метры, работа и т.д.);

— по времени выполнения (секунда).

Выделяют 3 способа определение выносливости:

1. задается время выполнения работы

измеряется объем работы (расстояние)

определяется скорость выполнения

2. объем работы постоянен

измеряется время выполнения

определяется скорость выполнения движения

3. скорость выполнения постоянная

измеряется время выполнения

определяется объем работы

Для оценки выносливости используют термин утомление, что означает временное снижение работоспособности. Различают умственное, эмоциональное и физическое утомление. Биомеханика рассматривает только физическое утомление.

При мышечной работе утомление проходит через 2 фазы:

1. Фаза компенсированного утомление — когда спортсмен сохраняет интенсивность движения на прежнем уровне (например, скорость бега).

2. Фаза декомпенсированного утомления — когда, несмотря на все старания, спортсмен не может сохранить необходимую интенсивность (например, турист, отставший от группы)

8. Проблема экономизации спорт техники: Если у разных спортсменов при выполнении одного и того же двигательного задания измерить энергозапрос, то его величины могут оказаться резко различными: одна и та же работа будет для разных спортсменов связана с неодинаковым расходом энергии.

Экономичность работы нередко оценивают с помощью коэффициентов, связывающих величины выполненной работы, с величинами затраченной при этом энергии.

Использование указанных коэффициентов, во-первых, позволяет анализировать лишь внешние результаты двигательных заданий (но не процессы, лежащие в их основе); во- вторых, приемлемо лишь при анализе двигательных заданий сходного типа. Можно, например, сравнивать величины этих коэффициентов в одном и том же движении (например, в беге), и нельзя – в движениях далеких друг от друга (например, в плавании и прыжках в воду).

В циклических локомоциях для характеристики экономичности техники обычно используют не указанные выше коэффициенты, а так называемую константу пути – величину энергозатрат, приходящуюся на 1 метр пути.

При сравнении разных локомоций значения константы пути и коэффициентов экономичности работы могут не совпадать, поскольку в разных локомоциях для того, чтобы преодолеть одно и то же расстояние, надо выполнить разную механическую работу.

Экономичность техники зависит от двух групп факторов: 1) физиологических и биохимических (в частности от того, аэробными или анаэробными процессами обеспечивается поставка энергии) и 2) биомеханических.

Коэффициенты: 1. Валовый коэффициент (брутто-коэффициент) экономичности работы:

K1=A/E где А — выполненная механическая работа (в джоулях), Е— затраченная энергия (в джоулях).

2. Нетто-коэффициент; в данном случае из величины энергозатрат при выполнении работы вычитают величину энерготрат в состоянии покоя (в условиях основного обмена или в рабочей позе):

K2=A/(E-En) где А — величины работы (в джоулях), En —энерготраты (в джоулях).

3 Дельта коэффициент сравнивают величины выполненной работы в двух двигательных заданиях разной интенсивности

K3=(A2-A1)/(E2-E2) где A 1 и А 2 величины работы в джоулях, Е1 и Е2 энерготраты в джоулях.

Особенности спортивной техники в упражнениях, требующих большой выносливости:

1.устранением ненужных движений, 2.устранением ненужных сокращений мышц. (У квалифицированных спортсменов суммарное время активности мышц меньше, время расслабленного состояния больше, чем у новичков. Это достигается за счет так называемой концентрации активности мышц.), 3.уменьшением внешнего сопротивления (уменьшением сопротивления воды в плавании за счет выбора более обтекаемого положения тела); 4.уменьшением внутрицикловых колебаний скорости. (Повышение скорости (после ее падения) требует затрат энергии. По возможности такие колебания надо уменьшать); 5.выбором оптимального соотношения между силой действия и скоростью рабочих движений, 6.выбором оптимального соотношения между длиной и частотой шагов.

10. Различают простые и сложные двигательные реакции. Простая реакция — это ответ заранее известным движением на заранее известный (внезапно появляющийся) сигнал. Примером может быть скоростная стрельба из пистолета по силуэтам, старт в беге и т. п. Все остальные типы реакций — когда заранее не

известно, что именно надо делать в ответ на сигнал и каким будет этот сигнал, — называются сложными. В двигательных реакциях различают:

а) сенсорную фазу — от момента появления сигнала до первых признаков мышечной активности (обычно они регистрируются по ЭМГ, т. е. по появлению электрической активности в соответствующих мышечных группах);

б)премоторную фазу (электромеханический интервал — ЭМИ) — от появления электрической активности мышц до начала движения. Этот компонент наиболее стабилен и составляет 25—60 мс;

в) моторную фазу — от начала движения до его завершения (например, до удара по мячу).

11. Эргометрией называется совокупность количественных методов измерения физической работоспособности человека. Развитие эргометрии связано с необходимостью охарактеризовать различные режимы выполнения двигательных заданий на количественном уровне. Для этого выбраны три основные переменные.

1. Интенсивность выполняемого двигательного задания. Этим обозначается одна из двух механических величин: а) скорость передвижения спортсмена (например, в беге – единица измерения м/с); б) мощность (например, при педалировании на велоэргометре — единица измерения – Вт).

2. Объём выполненного двигательного задания. Этим обозначается одна из двух механических величин: а) пройденное расстояние (например, в циклических упражнениях (беге, беге на лыжах, коньках, плавании и т. п.) – единица измерения – м); б) выполненная работа (в физическом смысле, например, при вращении педалей велоэргометра, подъёме штанги – единица измерения – Дж).

3. Время выполнения (единица измерения – с).

Показатели интенсивности, объёма и времени выполнения называются эргометрическими показателями. Один из них всегда задаётся как параметр двигательного задания, два других измеряются.

Например, первый тест – задаётся параметр – дистанция 3000м. Измеряется время пробегания дистанции (например, 12 мин); из этих показателей высчитывается скорость: V = S / t; V = 3000 м / 720 с = 4,16 м/с.

Второй тест – задаётся параметр – бег 12 мин. Измеряется пройденная дистанция (например 3000м). Высчитывается средняя скорость: V = S / t; V = 3000 / 720 = 4, 16 м/с.

Третий тест – задаётся средняя скорость – бег со скоростью 4,16 м/с. Измеряется время выполнении задания до снижения скорости (например – 12 мин). Высчитывается расстояние: S = V · t; S = 4,16 · 720 с = 3000м. То есть, если испытуемый сможет поддерживать среднюю скорость во время бега (например на тредбане) в течении 12 мин, то он преодолел бы расстояние 3000м.

На этих примера доказано, что если величины времени, интенсивности и объёма двигательных заданий соответствуют друг другу, то при разных вариантах заданий получаются совпадающие результаты. Поэтому результаты, полученные в заданиях одного типа можно переносить на задания другого типа, если только задаваемые и регистрируемые показатели совпадают. Это так называемое правило обратимости двигательных заданий.