Una de las características de cualquier sistema es su cinética y energía potencial. Si cualquier fuerza F ejerce un efecto sobre un cuerpo en reposo de tal manera que éste entra en movimiento, entonces se produce un trabajo dA. En este caso, el valor de la energía cinética dT aumenta cuanto más trabajo se realiza. En otras palabras, podemos escribir la igualdad:
Teniendo en cuenta el camino dR recorrido por el cuerpo y la velocidad dV desarrollada, utilizaremos la segunda para la fuerza:
Punto importante: esta ley se puede utilizar si se toma sistema inercial cuenta regresiva. La elección del sistema influye en el valor energético. Internacionalmente, la energía se mide en julios (J).
De ello se deduce que una partícula o cuerpo caracterizado por una velocidad de movimiento V y una masa m será:
T = ((V * V)*m) / 2
Podemos concluir que la energía cinética está determinada por la velocidad y la masa, representando de hecho una función del movimiento.
La energía cinética y potencial ayudan a describir el estado de un cuerpo. Si el primero, como ya se mencionó, está directamente relacionado con el movimiento, entonces el segundo se aplica a un sistema de cuerpos que interactúan. Cinético y generalmente se consideran ejemplos cuando la fuerza que conecta los cuerpos no depende de. En este caso, solo las posiciones inicial y final son importantes. Mayoría ejemplo famoso - interacción gravitacional. Pero si la trayectoria también es importante, entonces la fuerza es disipativa (fricción).
Discurso en lenguaje sencillo, la energía potencial representa la capacidad de realizar un trabajo. En consecuencia, esta energía puede considerarse en forma de trabajo que es necesario realizar para mover un cuerpo de un punto a otro. Eso es:
Si denotamos la energía potencial como dP, obtenemos:
Significado negativo indica que se está trabajando debido a una disminución en dP. Para función conocida dP es posible determinar no sólo la magnitud de la fuerza F, sino también su vector director.
Un cambio en la energía cinética siempre está relacionado con la energía potencial. Esto es fácil de entender si recuerdas los sistemas. El valor total de T+dP al mover el cuerpo siempre permanece sin cambios. Por tanto, un cambio en T siempre ocurre en paralelo con un cambio en dP, parecen fluir uno hacia el otro, transformándose;
Dado que la energía cinética y potencial están interrelacionadas, su suma representa la energía total del sistema considerado. En relación con las moléculas, está y está siempre presente, siempre que exista al menos movimiento e interacción térmica.
Al realizar los cálculos, se selecciona un sistema de referencia y cualquier momento arbitrario tomado como momento inicial. Es posible determinar con precisión el valor de la energía potencial solo en la zona de acción de fuerzas que, al realizar el trabajo, no dependen de la trayectoria del movimiento de ninguna partícula o cuerpo. En física, estas fuerzas se denominan conservadoras. Siempre están interconectados con la ley de conservación de la energía total.
Punto interesante: en una situación donde Influencias externas son mínimos o nivelados, cualquier sistema estudiado siempre tiende a su estado cuando su energía potencial tiende a cero. Por ejemplo, una pelota lanzada alcanza el límite de su energía potencial en el punto superior de su trayectoria, pero en el mismo instante comienza a moverse hacia abajo, convirtiendo la energía acumulada en movimiento, en trabajo realizado. Vale la pena señalar una vez más que para la energía potencial siempre hay una interacción de al menos dos cuerpos: por ejemplo, en el ejemplo de la pelota, esto está influenciado por la gravedad del planeta. La energía cinética se puede calcular individualmente para cada cuerpo en movimiento.
Los músculos que mueven las partes del cuerpo realizan un trabajo mecánico.
Trabajo en alguna dirección - este es el producto de la fuerza (F) que actúa en la dirección del movimiento del cuerpo por el camino que ha recorrido(S): A = F S.
Hacer un trabajo requiere energía. Por lo tanto, a medida que se realiza trabajo, la energía en el sistema disminuye. Dado que para realizar el trabajo es necesario un aporte de energía, esta última se puede definir de la siguiente manera: Energía – Esta es la oportunidad de realizar un trabajo, esta es una cierta medida del “recurso” disponible en un sistema mecánico para realizarlo.. Además, la energía es una medida de la transición de un tipo de movimiento a otro.
En biomecánica, se consideran los siguientes principios fundamentales: tipos de energía:
Potencial, dependiendo de la posición relativa de los elementos. sistema mecánico cuerpo humano;
Cinético movimiento hacia adelante;
Cinético movimiento rotacional;
Posible deformación de los elementos del sistema;
Térmico;
Procesos de intercambio.
La energía total de un sistema biomecánico es igual a la suma de todos los tipos de energía enumerados.
Al levantar un cuerpo y comprimir un resorte, se puede acumular energía en forma potencial para su uso posterior. Energía potencial siempre asociado con una u otra fuerza que actúa de un cuerpo sobre otro. Por ejemplo, la Tierra actúa por la fuerza de la gravedad sobre un objeto que cae, un resorte comprimido actúa sobre una pelota y una cuerda de arco estirada actúa sobre una flecha.
Energía potencial – esta es la energía que posee un cuerpo debido a su posición en relación con otros cuerpos, o debido a la disposición relativa de las partes de un cuerpo.
Por lo tanto, la fuerza de gravedad y fuerza elástica son potenciales.
Energía potencial gravitacional: En = m g h
Donde k es la rigidez del resorte; x es su deformación.
De los ejemplos anteriores queda claro que la energía se puede almacenar en forma de energía potencial (levantar un cuerpo, comprimir un resorte) para su uso posterior.
En biomecánica se consideran y tienen en cuenta dos tipos de energía potencial: condicionada posición relativa vínculos del cuerpo con la superficie de la Tierra (energía potencial gravitacional); asociado con la deformación elástica de elementos del sistema biomecánico (huesos, músculos, ligamentos) o cualquier objeto externo (equipamiento deportivo, equipamiento).
Energía cinética almacenado en el cuerpo cuando se mueve. Un cuerpo en movimiento funciona debido a su pérdida. Dado que las partes del cuerpo y del cuerpo humano realizan movimientos de traslación y rotación, la energía cinética total (Ek) será igual a: 
, donde m es la masa, V es velocidad lineal, J – momento inercia sistemas, ω – velocidad angular.
La energía ingresa al sistema biomecánico debido a procesos metabólicos metabólicos que ocurren en los músculos. El cambio de energía que resulta en el trabajo realizado no es un proceso altamente eficiente en un sistema biomecánico, es decir, no toda la energía se convierte en trabajo útil. Parte de la energía se pierde irreversiblemente, convirtiéndose en calor: sólo el 25% se utiliza para realizar el trabajo, el 75% restante se convierte y se disipa en el cuerpo.
Para un sistema biomecánico, se aplica la ley de conservación de la energía. movimiento mecánico en la forma de:
Epol = Ek + Epot + U,
donde Epol es la energía mecánica total del sistema; Ek – energía cinética del sistema; Epot – energía potencial del sistema; U – energía interna sistemas que representan principalmente energía térmica.
La energía total del movimiento mecánico de un sistema biomecánico se basa en las dos fuentes de energía siguientes: reacciones metabólicas en el cuerpo humano y energía mecánica. ambiente externo(elementos deformables de equipamiento deportivo, equipamiento, superficies de apoyo; oponentes durante interacciones de contacto). Esta energía se transmite a través de Fuerzas externas.
Una característica de la producción de energía en un sistema biomecánico es que una parte de la energía durante el movimiento se gasta en realizar la acción motora necesaria, la otra se destina a la disipación irreversible de la energía almacenada y la tercera se ahorra y se utiliza durante el movimiento posterior. Al calcular la energía gastada durante los movimientos y la Trabajo mecánico el cuerpo humano se representa como un modelo de un sistema biomecánico multienlace, similar estructura anatómica. Los movimientos de un vínculo individual y los movimientos del cuerpo en su conjunto se consideran en forma de dos más. tipos simples Movimiento: traslacional y rotacional.
La energía mecánica total de algún enlace i-ésimo (Epol) se puede calcular como la suma de la energía potencial (Epot) y la energía cinética (Ek). A su vez, Ek se puede representar como la suma de la energía cinética del centro de masa del eslabón (Ec.c.m.), en el que se concentra toda la masa del eslabón, y la energía cinética de rotación del eslabón con respecto a el centro de masa (Ec.Vr.).
Si se conoce la cinemática del movimiento del eslabón, esto expresión general pues la energía total del enlace tendrá la forma: , donde mi es la masa del i-ésimo enlace; ĝ – aceleración caida libre; hola – altura del centro de masa por encima de algunos nivel cero(por ejemplo, sobre la superficie de la Tierra en este lugar); - velocidad del movimiento de traslación del centro de masa; Ji - momento de inercia el i-ésimo eslabón con respecto al eje de rotación instantáneo que pasa por el centro de masa; ω – velocidad angular instantánea de rotación con respecto al eje instantáneo.
Trabaja para cambiar el completo. energía mecánica enlace (Ai) durante la operación desde el momento t1 al momento t2 es igual a la diferencia en los valores de energía en los momentos de movimiento final (Ep(t2)) e inicial (Ep(t1)):
Naturalmente, en en este caso Se dedica trabajo a cambiar la energía potencial y cinética del enlace.
Si la cantidad de trabajo Ai > 0, es decir, la energía ha aumentado, entonces se dice que se ha realizado trabajo positivo sobre el enlace. Si la IA< 0, то есть энергия звена уменьшилась, - отрицательная работа.
El modo de trabajo para cambiar la energía de un eslabón determinado se llama superación si los músculos realizan un trabajo positivo en el eslabón; inferior si los músculos realizan un trabajo negativo en el enlace.
El trabajo positivo se realiza cuando el músculo se contrae ante una carga externa, acelera partes del cuerpo, el cuerpo en su conjunto, equipamiento deportivo, etc. El trabajo negativo se realiza si los músculos resisten el estiramiento debido a la acción de fuerzas externas. Esto ocurre al bajar una carga, bajar escaleras o resistir una fuerza que excede la fuerza de los músculos (por ejemplo, en la pulseada).
Manchado Datos interesantes proporción de trabajo muscular positivo y negativo: el trabajo muscular negativo es más económico que el positivo; pre-ejecución trabajo negativo aumenta la magnitud y eficiencia del trabajo positivo que le sigue.
Cuanto mayor sea la velocidad de movimiento del cuerpo de una persona (durante la carrera atlética, el patinaje, el esquí, etc.), mayor La mayoría de el trabajo no se gasta en resultado útil- movimiento del cuerpo en el espacio y movimiento de enlaces en relación con el GCM. Por lo tanto, cuando Limites de velocidad el trabajo principal se dedica a acelerar y frenar las partes del cuerpo, ya que al aumentar la velocidad, la aceleración del movimiento de las partes del cuerpo aumenta bruscamente.
Para poner cualquier cuerpo en movimiento, un requisito previo es obra de arte. Al mismo tiempo, para realizar este trabajo es necesario gastar algo de energía.
La energía caracteriza al cuerpo desde el punto de vista de su capacidad para producir trabajo. La unidad de energía es Joule, abreviado [J].
La energía total de cualquier sistema mecánico es equivalente a la suma de la energía potencial y cinética. Por tanto, se acostumbra distinguir la energía potencial y la cinética como tipos de energía mecánica.
Si hablamos de sistemas biomecánicos, entonces la energía total de dichos sistemas se compone además de la energía térmica y de los procesos metabólicos.
EN sistemas aislados En los cuerpos, cuando actúan sobre ellos únicamente la fuerza de gravedad y elasticidad, el valor de la energía total no cambia. Esta afirmación es la ley de conservación de la energía.
¿Cuáles son ambos tipos de energía mecánica?
Sobre la energía potencial
La energía potencial es la energía determinada. posición mutua cuerpos, o componentes de estos cuerpos, interactuando entre sí. En otras palabras, esta energía está determinada la distancia entre los cuerpos.
Por ejemplo, cuando un cuerpo cae y pone en movimiento los cuerpos circundantes a lo largo del camino de su caída, la gravedad produce trabajo positivo. Y, a la inversa, en el caso de levantar el cuerpo hacia arriba, podemos hablar de producción de trabajo negativo.
En consecuencia, cada cuerpo, cuando se encuentra a cierta distancia de superficie de la Tierra tiene energía potencial. Cómo más altura y peso corporal, el mas valor Trabajo realizado por el cuerpo. Al mismo tiempo, en el primer ejemplo, cuando un cuerpo cae, la energía potencial será negativa y cuando se eleva, la energía potencial será positiva.
Esto se explica por la igualdad del valor del trabajo de la gravedad, pero el signo opuesto del cambio en la energía potencial.
Además, un ejemplo de la aparición de energía de interacción puede ser un objeto sujeto a deformación elástica: resorte comprimido: al enderezar el trabajo lo realizará la fuerza elástica. Aquí estamos hablando acerca de sobre la realización del trabajo debido a un cambio en la ubicación de los componentes del cuerpo entre sí durante la deformación elástica.
Para resumir la información, observamos que absolutamente todo objeto que se vea afectado por la gravedad o la elasticidad tendrá la energía de una diferencia de potencial.
Sobre la energía cinética
La energía cinética es la energía que los cuerpos comienzan a poseer como resultado de proceso de movimiento. En base a esto, la energía cinética de los cuerpos en reposo es igual a cero.
La cantidad de esta energía es equivalente a la cantidad de trabajo que es necesario realizar para sacar al cuerpo del estado de reposo y así ponerlo en movimiento. En otras palabras, la energía cinética se puede expresar como la diferencia entre Energía completa y energía reparadora.
El trabajo de traslación realizado por un cuerpo en movimiento depende directamente de la masa y la velocidad al cuadrado. El trabajo del movimiento de rotación depende del momento de inercia y del cuadrado de la velocidad angular.
La energía total de los cuerpos en movimiento incluye ambos tipos de trabajo realizado; se determina según la siguiente expresión: . Principales características de la energía cinética:
- Aditividad– define la energía cinética como la energía de un sistema formado por un conjunto puntos materiales, e igual a la energía cinética total de cada punto de este sistema;
- Invariancia en relación con la rotación del sistema de referencia: la energía cinética es independiente de la posición y dirección de la velocidad del punto;
- Preservación– la característica indica que la energía cinética de los sistemas no cambia durante cualquier interacción, en los casos en que solo cambian las características mecánicas.
Ejemplos de cuerpos con energía potencial y cinética.
Todos los objetos elevados y ubicados a cierta distancia de la superficie terrestre en estado estacionario son capaces de poseer energía potencial. Como ejemplo, este losa de hormigón levantada por grúa, que se encuentra en estado estacionario, un resorte cargado.
Los objetos en movimiento tienen energía cinética. vehículos, así como, en general, cualquier objeto rodante.
Al mismo tiempo, en la naturaleza, la vida cotidiana y la tecnología, la energía potencial puede transformarse en energía cinética, y la energía cinética, a su vez, por el contrario, en energía potencial.
Pelota, que se lanza desde un determinado punto a una altura: en la posición más alta, la energía potencial de la pelota es máxima, y el valor de la energía cinética es cero, ya que la pelota no se mueve y está en reposo. A medida que disminuye la altitud, la energía potencial disminuye gradualmente en consecuencia. Cuando la pelota llegue a la superficie terrestre, rodará; V este momento La energía cinética aumenta y la energía potencial será cero.
