1.3. Роль реактивных внешних сил

Реактивные внешние силы (нормальные опорные реакции, силы трения) при движениях на месте уравновешивают действие по­движных звеньев на опорные. Эти силы сами изменяются соответ­ственно ускорениям подвижных звеньев и перемещаемых тел.

Как уже известно, силу тяжести тела в покое уравновешивает реак­ция опоры. Опорные звенья неподвижны: они уравновешены относительно опоры реактивными внешними силами — нормальными реак­циями опоры.

При движениях подвижных звеньев и перемещаемых тел возни­кают их ускорения, а следовательно, и силы инерции противоположно­го направления. Когда силы инерции направлены в сторону опоры, они вызывают динамическую составляющую опорной реакции; последняя складывается со статической составляю­щей опорной реакции и общая опорная реакция больше статической. Когда силы инерции имеют направ­ление от опоры, опорная реакция уменьшается на величину сил инерции — общая опорная реакция меньше статической.

В случаях, когда ускорения подвижных звеньев направлены не по нормали (не перпендикулярно), а под острым углом к плоской поверх­ности опоры, возникают соответствующие силы трения. Например, ускорение тела направлено вперед, тогда его сила инерции направлена назад, а сила трения, приложенная к телу как противодействие силе инерции, направлена вперед. Перемещаемые тела, как и подвижные звенья, при своих ускорениях тоже вызывают изменения реактивных сил опоры.

Таким образом, движения на месте сопровож­даются изменениями внешних реактивных сил вследствие действия на опору сил инер­ции ускоряемых звеньев.

1.4. Сохранение и изменение количества движения системы

Закон сохранения количества движения: в изолированной мате­риальной системе¹ количество движения остается неизменным.

Если F=0, то mv=const.

Первый вывод из этого закона подтверждает то, что уже известно из закона сохранения движения ЦМС, а именно: без внешней силы не может быть изменения движения ЦМС. О том же говорят 1-й и 2-й законы Ньютона.

Для нашего анализа здесь важен второй вывод: для измене­ния скорости системы внешняя сила долж­на действовать в течение некоторого вре­мени; скорость изменяется не силой, а ее импульсом¹.

Строго говоря, любая сила действует во времени; взаимодействия тел вне времени нет. И любая сила приложена к телу, обладающему какой-то массой; тел, не имеющих массы, не существует. Так как все движения в суставах происходят вокруг оси, то рассматривать следует не количество движения, а момент количества движения (кинетический момент). Пока же для упрощения ограничимся рассмотрением количе­ства движения.

Чтобы обеспечить увеличение количества движения подвижных звеньев, нужно иметь тело опоры достаточно боль­шой массы; это позволит создать необходимый импульс силы.

1.5. Преодолевающие и уступающие движения

В преодолевающих движениях тяга мышц направлена в сторону движения звена, в уступающих — в противоположную сторону.

Движения человека могут выполняться с преодолевающей (положи­тельной) работой мышц. Мышцы укорачиваются, преодолевая силы со­противления, приложенные к звеньям (например, жим штанги). Такие движения ранее называли активными, пассивными —движения, выпол­няемые без сокращения мышц, например при помощи внешних для человека сил.

Нередко бывают пассивные движения, при которых мышцы никакой роли не иг­рают (свободное падение человека, пассивное «падение» расслабленной руки). Но часто встречаются «пассивные» движения, в которых человек напряжением мышц-антагонистов тормозит или останавливает движение, вызванное внешними для чело­века силами (опускание штанги на помост). Тогда антагонисты совершают уступаю­щую (отрицательную) работу, растягиваясь, как бы «уступают» движущим внешним силам.

Движения последней группы нецелесообразно называть пассивными: мышцы, растягиваясь, совершают иногда огромную работу; их активность (в биологическом смысле) очень велика. Не следует смешивать понятия «активные силы» в смысле меха­ническом (способные вызвать движение) и в смысле биологическом (тяги мышц).

Правильнее делить движения, в которых участвуют мышечные тяги, на преодолевающие (с положительной работой мышц) и уступа­ющие (с отрицательной работой мышц); и те и другие — движения активные. Пассивными же движениями следует называть лишь движе­ния без активного участия мышечных сил (свободное падение, полет по инерции и т. п.).

Таким образом, источниками движущих сил в преодолевающих движениях служат только мышечные тяги. Тормозящие силы могут быть весьма разно­образными: при упражнениях с отягощениями — их вес и силы инер­ции; при упражнениях с эспандером — силы упругой деформации; при упражнениях с сопротивлением партнера— вес и сила инерции его тела, его мышечные силы; при упражнениях без снарядов — вес и силы инерции собственных частей тела и даже тяги своих мышц-антагонистов.

Источниками движущих сил в уступающих движениях могут быть любые силы, а тор­мозящими служат преимущественно тяги мышц-антагонистов.

Деление на преодолевающие и уступающие движения условно. И в преодолевающем движении могут тормозить мышцы-антагонисты. И в уступающем движении в числе движущих сил могут оказаться и мышечные тяги. Очень часто движение, начавшееся как преодоле­вающее, заканчивается как уступающее; мышцы, разогнавшие звено, в определенный момент выключаются, а мышцы-антагонисты, включив­шись, затормаживают движение, действуя против возникающих при торможении сил инерции (движение свободной ноги в беге).

В медленных движениях ускорения невелики,— значит, и силы инерции малы. Поэтому уступающая (тормозящая) работа в конце движения малозаметна. В быстрых же движениях ускорения при остановке звеньев большие, возникают значительные силы инерции. При этом мышцы, растягиваясь, проявляют свои эластические свойства (упругость, вязкость и Др.). Силами упругой деформации мышцы могут остановить движение и вызвать обратное движение, упругую «отдачу». В быстрых возвратных движениях со сменой уступающего движения на преодолевающее силы инерции и силы упругой деформации играют существенную роль (реверсивный режим).