1. Вращательное движение звена

Рассмотрим динамику вращательного движения на примере одного звена и системы звеньев тела. Удерживающим телом при движении звена в суставе служит реакция связи со стороны звена на тягу мышц и суставно-связочного аппарата. Центростремительная сила - это воздействие удерживающего тела на вращающееся. Она вызывает искривление траектории в зависимости от массы, скорости и радиуса вращения.

Центробежная сила (сила инерции) - это противодействие вращающегося тела искривлению его траектории, приложена к удерживающему телу. Обе силы приложены к различным точкам и поэтому не компенсируют друг друга. Она равны по модулю, но противоположны по направлению. Центробежная сила равна произведению массы тела на его центростремительное ускорение.

Для каждой частицы вращающегося тела ее центростремительное ускорение пропорционально квадрату ее линейной скорости и обратно пропорционально расстоянию от оси вращения.

Отсюда, величина центробежной силы (а также центростремительной) для каждой частицы тела равна:

Центростремительная сила перпендикулярна к направлению линейных скоростей точек звена, поэтому изменить их величину не может. Она изменяет только направление скорости. Изменение же величины скорости при вращении происходит при наличии положительного или отрицательного тангенциального ускорения. Его может вызвать только сила перпендикулярная радиусу (параллельно касательной к траектории движения). Следовательно нужно различать силы (и их составляющие) приложенные вдоль радиуса и перпендикулярные к нему.

2. Изменение вращательного движения звена.

Под действием момента внешней силы (приложенной к звену по касательной к траектории) изменяется вращательное движение звена, увеличивается или уменьшается его угловая скорость.

Момент внешней силы относительно оси z. J - момент инерции звена, Е - угловое ускорение звена.

Внешние силы для звена - это тяга мышц, прикрепленных к нему, реакции соседних звеньев и приложенные к звену силы внешние для тела человека (ила тяжести и др.). Для суставов тела человека наиболее характерны возвратно-вращательные, колебательные движения, ограниченные анатомическими условиями. При быстрых движениях мышцы антагонисты растягиваются силами инерции вращающегося звена, возникающими, когда оно тормозится и останавливается. В мышцах - антагонистах при этом возникают силы упругой деформации, которые останавливают звено и помогают начать возвратное движение. Изменение вращения системы звеньев возможно под действием системы импульсов моментов как внешних сил, так и внутренних, вызывающих радиальное движение. Если гимнаст сохраняет позу в висе на перекладине, то тренер может (толчком руки) внешней силой увеличить скорость гимнаста. Если бы не было тормозящих сил, то гимнаст бы качался бесконечно долго. При подъеме кинетическая энергия движения превращается в потенциальную, при опускании наоборот. Подводя энергию при каждом колебании можно сделать колебания не затухающими и даже увеличить амплитуду, если подвод энергии больше, чем тратится на компенсацию сопротивления Среды и трение.

Одним из источников такого подвода энергии служит работа мышц по приближению тела к оси вращения. Это вызывает уменьшение радиуса вращения и радиуса инерции, а следовательно, и момента инерции тела гимнаста. Значит (из условия постоянства кинетического момента) угловая скорость увеличивается соответственно уменьшению кинетического момента инерции.

Радиальное движение звеньев в сторону от оси вращения замедляет вращение, т.к. при этом увеличивается момент инерции в соответствии с законом сохранения кинетического момента: если сумма моментов сил, приложенных к телу, равна нулю, то кинетический момент тела сохраняется неизменным.