3.5.2. Силовые характеристики движения тела
Изменение скорости движения тел происходит под действием сил. Другими словами сила является не причиной движения, а причиной изменения движения. Силовые характеристики раскрывают связь действия силы с изменением движений. К силовым характеристикам при поступательном движении относятся:
сила;
импульс силы;
импульс тела (количество движения).
Сила (F) – мера механического действия одного тела на другое. Сила определяется формулой: F=ma, где m – масса тела; a– ускорение.
Импульс силы (S) – мера воздействия силы на тело за промежуток времени. Эта механическая характеристика равна произведению силы на промежуток времени. Импульс силы характеризует площадь под кривой «время – сила» (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Импульс силы характеризует площадь под кривой «время-сила» (Р. Энока, 1998)
Значение импульса силы отталкивания не зависит от формы кривой «время-сила», а определяется только площадью под кривой. Зарегистрировать силу давления на опору позволяет методика тензодинамометрии. При этом характер кривой давления на опору зависит от уровня развития скоростно-силовых качеств спортсмена. Спортсмен, обладающий высоким уровнем развития скоростно-силовых качеств мышц ног способен развить высокий уровень силы за короткий промежуток времени.
Импульс тела (количество движения, Q) – векторная величина, характеризующая его способность передаваться другому телу. Импульс тела определяется по формуле: Q = mV.
Импульс тела имеет то же направление, что и скорость. Если тело покоится, его импульс равен нулю. При взаимодействии тел их импульсы могут быть переданы от одного тела к другому. Например, в результате взаимодействия тела человека с опорой изменяется импульс тела (количество движения тела). Чем больший импульс приобретает тело человека в результате взаимодействия с опорой, тем выше или дальше будет прыжок.
К силовым характеристикам при вращательном движении относятся:
момент силы;
импульс момента силы;
кинетический момент.
Момент силы (М) – векторная величина, мера механического действия одного тела на другое при вращательном движении. Момент силы определяется по формуле: M= Fh, где h – плечо силы.
Момент силы – это мера вращательного действия силы на тело. Он определяется произведением модуля силы на ее плечо: Mz = F*l = I. Момент силы считается положительным, если он вызывает поворот тела против часовой стрелки и наоборот. Момент силы – величина векторная: сила проявляет свое вращательное действие, когда она приложена на ее плече. Если линия действия силы лежит не в плоскости перпендикулярной к оси вращения, то находят составляющую силу, лежащую в этой плоскости. Она и вызывает вращение, остальные силы на вращение не влияют. Сила, совпадающая с осью вращения или параллельная ей, также не имеет плеча относительно оси, значит нет и ее момента.
Силу, не проходящую через точку в твердом теле можно привести к этой точке. Тогда видно, что такая сила вызывает не только угловое, но и линейное ускорение тела.
Определение силы или момента силы, если известна масса или момент инерции тела позволяет узнать только ускорение, то есть, как быстро изменится скорость
Плечо силы – перпендикуляр, опущенный из оси вращения на линию действия силы.
Костные звенья в организме человека представляют собой рычаги. При этом результат действия мышцы определяется не столько развиваемой ею силой, сколько моментом силы. Особенностью строения опорно-двигательного аппарата человека является небольшие значения плеч сил тяги мышц. В то же время внешняя сила, например, сила тяжести, имеет большое плечо (рис. 3.3). Поэтому для противодействия большим внешним моментам сил мышцы должны развивать большую силу тяги.
Рис. 3.3. Особенности работы скелетных мышц человека
Момент силы считают положительным, если сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицательным, при повороте тела по часовой стрелке. На рис. 3.3. сила тяжести гантели создает отрицательный момент силы, так как стремится повернуть предплечье в локтевом суставе по часовой стрелке. Сила тяги мышц-сгибателей предплечья создает положительный момент, так как стремится повернуть предплечье в локтевом суставе против часовой стрелки.
Импульс момента силы (Sм) – мера воздействия момента силы относительно данной оси за промежуток времени.
Кинетический момент (К) &‐ векторная величина, мера вращательного движения тела, характеризующая его способность передаваться другому телу в виде механического движения. Кинетический момент определяется по формуле: K=Jω.
Кинетический момент при вращательном движении является аналогом импульса тела (количества движения) при поступательном движении.
Пример. При выполнении прыжка в воду после выполнения отталкивания от мостика, кинетический момент тела человека (К) остается неизменным. Поэтому если уменьшить момент инерции (J), то есть произвести группировку, увеличивается угловая скорость ω.Перед входом в воду, спортсмен увеличивает момент инерции (выпрямляется), тем самым он уменьшает угловую скорость вращения.
. Насколько изменилась скорость можно узнать определив импульс силы. Импульс силы – мера воздействия силы на тело за данный промежуток времени (в поступательном движении): S =F*t = m*v. В случае одновременного действия нескольких сил сумма их импульсов равна импульсу их равнодействующей за то же время. Именно импульс силы определяет изменение скорости. Во вращательном движении импульсу силы соответствует импульс момента силы – мера воздействия силы на тело относительно данной оси за данный промежуток времени: Sz = Mz*t.
Вследствие импульса силы и импульса момента силы возникают изменения движения, зависящие от инерционных характеристик тела и проявляющиеся в изменений скорости (количество движения и момент количества движения – кинетический момент).
Количество движения – это мера поступательного движения тела, характеризующая способность этого движения передаваться другому телу: K = m*v. Изменение количества движения равно импульсу силы: K = F*t = m*v = S.
Кинетический момент – это мера вращательного движения тела, характеризующая способность этого движения передаваться другому телу: Kя = I* = m*v*r. Если тело связано с осью вращения, не проходящей через его ЦМ, то полный кинетический момент слагается из кинетического момента тела относительно оси, проходящей через его ЦМ параллельно внешней оси (I0*) и кинетического момента некоторой точки, обладающей массой тела и отстоящей от оси вращения на таком же расстоянии, что и ЦМ: L = I0* + m*r2*.
Между моментом количества движения (кинетическим моментом) и моментом импульса силы существует количественная взаимосвязь: L = Mz*t = I* = Sz.
Таким образом, количество движения и кинетический момент являются динамическими мерами движения. Они отражают взаимосвязь сил и движения.