Что относится к динамическим характеристикам ответ
Динамические характеристики тела человека
Инерционные характеристики раскрывают, каковы особенности тела человека и движимых им тел в их взаимодействиях. От инерционных характеристик зависит сохранение и изменение скорости. Все физические тела обладают свойством инертности (или инерции), которое проявляется в сохранении движения, а также в особенностях изменения его под действием сил. Понятие инерции раскрывается в первом законе Ньютона: «Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы не заставят его изменить это состояние». Говоря проще: тело сохраняет свою скорость, а также под действием внешних сил изменяет ее.
Силовые характеристики. Известно, что движение тела может происходить как под действием приложенной к нему движущей силы, так и без движущей силы (по инерции), когда приложена только тормозящая сила. Движущие силы приложены не всегда; без тормозящих же сил движения не бывает. Изменение движений происходит под действием сил. Сила не причина движения, а причина изменения движения; силовые характеристики раскрывают связь действия силы с изменением движения.
Сила — это мера механического воздействия одного тела на другое в данный момент времени. Численно она определяется произведением массы тела и его ускорения, вызванного данной силой. Чаще всего говорят про силу и результат ее действия, но это применимо только к простейшему поступательному движению тела. В движениях человека как системы тел, где все движения частей тела вращательные, изменение вращательного движения зависит не от силы, а от момента силы.
Количество движения — это мера поступательного движения тела, характеризующая его способность передаваться другому телу в виде механического движения. Количество движения тела измеряется произведением массы тела на его скорость.
Энергетические характеристики. При движениях человека силы, приложенные к его телу на некотором пути, совершают работу и изменяют положение и скорость звеньев тела, что изменяет его энергию. Работа характеризует процесс, при котором меняется энергия системы. Энергия же характеризует состояние системы, изменяющейся вследствие работы. Энергетические характеристики показывают, как меняются виды энергии при движениях и протекает сам процесс изменения энергии.
Билет 14.
1. Задачи и содержание биомеханики.
Динамические характеристики движения
К ранее рассмотренным кинематическим мерам изменения движения (скорости и ускорению) добавляются динамические меры изменения движения (количество движения и кинетический момент). Совместно с мерами действия сил они отражают взаимосвязь сил и движения. Изучение их помогает понять физические основы двигательных действий человека.
Инерционные характеристики раскрывают особенности тела человека и движимых им тел в их взаимодействиях. От инерционных характеристик зависит сохранение и изменение скорости.
Все физические тела обладают свойством инертности (или инерции), которое проявляется в сохранении движения, а также в особенностях изменения его под действием сил.
Понятие инерции раскрывается в первом законе Ньютона: «Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы не заставят его изменить это состояние».
Масса — это мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется отношением величины приложенной силы к вызываемому ею ускорению. Масса (m) — это количество вещества (в килограммах), содержащееся в теле или отдельном звене.
Масса тела характеризует, как именно приложенная сила может изменить движение тела. Одна и та же сила вызовет большее ускорение у тела с меньшей массой, чем у тела с большей массой.
Вес тела — это сила, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на горизонтальную опору.
Отсюда видно, что момент инерции тела больше, когда его частицы дальше от оси вращения, а значит угловое ускорение тела под действием того же момента силы меньше; если частицы ближе к оси, то угловое ускорение больше, а момент инерции меньше. Значит, если приблизить тело к оси, то легче вызвать угловое ускорение, легче разогнать тело во вращении, легче и остановить его. Этим пользуются при движении вокруг оси.
Силовые характеристики. Известно, что движение тела может происходить как под действием приложенной к нему движущей силы, так и без движущей силы (по инерции), когда приложена только тормозящая сила. Движущие силы приложены не всегда; без тормозящих же сил движения не бывает. Изменение движений происходит под действием сил. Сила не причина движения, а причина изменения движения; силовые характеристики раскрывают связь действия силы с изменением движения.
Сила — это мера механического воздействия одного тела на другое в данный момент времени. Численно она определяется произведением массы тела и его ускорения, вызванного данной силой.
Чаще всего говорят про силу и результат ее действия, но это применимо только к простейшему поступательному движению тела. В движениях человека как системы тел, где все движения частей тела вращательные, изменение вращательного движения зависит не от силы, а от момента силы.
Момент силы обычно считают положительным, когда сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицательным при повороте по часовой стрелке.
Чтобы сила могла проявить свое вращающее действие, она должна иметь плечо. Иначе говоря, она не должна проходить через ось вращения.
Определение силы или момента силы, если известна масса или момент инерции, позволяет узнать только ускорение, т.е. как быстро изменяется скорость. Надо еще узнать, насколько именно изменится скорость. Для этого должно быть известно, как долго была приложена сила. Иначе говоря, следует определить импульс силы (или ее момента).
Во вращательном движении момент силы, действуя в течение определенного времени, создает импульс момента силы.
Импульс момента силы — это мера воздействия момента силы относительно данной оси за данный промежуток времени (во вращательном движении).
Вследствие импульса, как силы, так и момента силы возникают изменения движения, зависящие от инерционных свойств тела и проявляющиеся в изменении скорости (количество движения, кинетический момент).
Количество движения — это мера поступательного движения тела, характеризующая его способность передаваться другому телу в виде механического движения. Количество движения тела измеряется произведением массы тела на его скорость.
Кинетический момент (момент количества движения)— это мера вращательного движения тела, характеризующая его способность передаваться другому телу в виде механического движения. Кинетический момент равен произведению момента инерции относительно оси вращения на угловую скорость тела.
Соответствующее изменение количества движения происходит под действием импульса силы, а под действием импульса момента силы происходит определенное изменение кинетического момента (момента количества движения).
При движениях человека силы, приложенные к его телу на некотором пути, совершают работу и изменяют положение и скорость звеньев тела, что изменяет его энергию. Работа характеризует процесс, при котором меняется энергия системы. Энергия же характеризует состояние системы, изменяющейся вследствие работы. Энергетические характеристики показывают, как меняются виды энергии при движении, и протекает сам процесс изменения энергии.
Если сила направлена в сторону движения (или под острым углом к этому направлению), то она совершает положительную работу, увеличивая энергию движения тела. Когда же сила направлена навстречу движению (или под тупым углом к его направлению), то работа силы отрицательная и энергия движения тела уменьшается.
Работа момента силы — это мера воздействия момента силы на тело на данном пути (во вращательном движении). Она равна произведению модуля момента силы и угла поворота.
Понятие работы представляет собой меру внешних воздействий, приложенных к телу на определенном пути, вызывающих изменения механического состояния тела.
Энергия как мера движения материи переходит из одного вида в другой. Так, химическая энергия в мышцах превращается в механическую (внутреннюю потенциальную упруго-деформированных мышц). Порожденная последней сила тяги мышц совершает работу и преобразует потенциальную энергию в кинетическую энергию движущихся звеньев тела и внешних тел. Механическая энергия внешних тел (кинетическая), передаваясь при их действии на тело человека его звеньям, преобразуется в потенциальную энергию растягиваемых мышц-антаганистов, а также в рассеивающуюся тепловую энергию.
Динамика объектов. Динамические характеристики
Когда продолжительное отклонение входной величины от установившегося значения недопустимо по условиям работы объекта, рассматривают реакцию его на прямоугольный импульс. Она менее наглядна, но содержит всю информацию о динамических свойствах объекта. При аналитическом исследовании нередко используют импульсное воздействие 1(т), при котором в бесконечно малый промежуток времени на объект действует бесконечно большое по амплитуде возмущение с суммарным (интегральным) эффектом, равным единице.
Подача прямоугольной волны на вход объекта позволяет избежать продолжительного отклонения выходной величины в одну сторону. Проявляются лишь небольшие отклонения ее в обе стороны, но они по-прежнему содержат полную информацию о динамических свойствах объекта. Гармонические колебания применяются для определения частотных характеристик объектов.
При определении динамических характеристик объектов часто рассматривают лишь отклонения параметров от начальных установившихся значений, принимая последние равными нулю. Такой подход означает условное разделение нестационарного режима на установившийся режим и переходный процесс. Он вполне оправдан, если в переходном процессе изменения входных и выходных величин не превышают значений, при которых начинает заметно сказываться нелинейность объекта.
Реальные промышленные объекты допускают накопление вещества, энергии или количества движения в нескольких аккумулирующих емкостях, между которыми имеются какие-то сопротивления. Подобные объекты называют многоемкостными. Характерной особенностью их является искривление начального участка переходной функции, т.е. замедленное изменение выходной величины в начале переходного процесса, рис.2.6. В объектах с самовыравниванием при ступенчатом входном воздействии выходная величина у с течением времени стремится к новому установившемуся значению, кривая 1. Выходная величина объектов без самовыравнивания при таком же воздействии по прошествии начального периода изменяется с постоянной скоростью, кривая 2. Для простых одноемкостных объектов без самовыравнивания постоянная скорость изменения выходной величины наступает сразу после нанесения ступенчатого воздействия
Динамические характеристики объектов могут быть определены как экспериментально, так и аналитически. Наиболее достоверные данные получаются на основе эксперимента, постановка которого требует значительных затрат времени и средств. Для сравнительно простых объектов, процессы в которых хорошо изучены, динамические характеристики определяют аналитически. Независимо от способа получения исходной информации для решения практических задач используются математические модели объектов, представленные в виде уравнений динамики.
Уравнения динамики
При аналитическом определении характеристик уравнения динамики объектов составляются по принципу:
Этому принципу соответствуют законы сохранения вещества, энергии и количества движения. По существу, составление уравнений динамики заключается в последовательном применении указанных законов к каждой аккумулирующей емкости с учетом термических, гидравлических и иных сопротивлений. Для упрощения задачи обычно вводят те или иные допущения, т.к. реальный объект всегда сложнее любой математический модели. Рассмотрим два простейших примера.
1.Сосуд, жидкость из которого откачивается насосом, является астатическим объектом, если объемные расходы на притоке Vn и оттоке V0 не зависят от уровня /г, рис.2.7 а. Предполагается, что жидкость однородная, сосуд открытый и находится при атмосферном давлении, изменения уровня в нем практически не влияют на производительность насоса. Данный объект имеет ояну аккумулирующую емкость. В соответствии с общим принципом записываем уравнение материального баланса:
При постоянной по высоте площади сечения сосуда F объем жидкости пропорционален ее уровню: (2.9)
Если сосуд 
имеет неодинаковую форму по высоте, то последнее выражение получается более сложным. Рассматривая малые отклонения уровня, даже при любой форме сосуда в первом приближении используют линейную зависимость (2.9). Расходы поступающей и откачиваемой жидкости являются независимыми параметрами. Их можно представить в виде двух слагаемых:
клонения расходов от установившихся значений.
Полагая, что производительность насоса остается постоянной, после подстановки 
в уравнение (2.8) имеем:
Задаваясь несколькими значениями времени от начала переходного процесса строим переходную функцию, рис.2.7 б. Если ступенчато возрастает производительность насоса или уменьшается расход поступающей жидкости, то уровень снижается с постоянной скоростью, как показано пунктирной линией. Угол наклона на графике переходной функции зависит от значения ДК/F. Характерной особенностью является накопление жидкости, пропорциональное времени от начала переходного процесса. Подобные объекты относятся к интегрирующим.
, относится к статическим объектам, рис.2.8 а. Дело в том, что расход вытекающей через патрубок или отверстие жидкости V0 зависит от ее уровня, рис.2.8 б. Эта зависимость близка к линейной. По крайней мере вблизи установившихся значений справедливо выражение:
(2.12)
Величину коэффициента К\ можно найти по графику упомянутой зависимости как тангенс угла наклона прямого участка вблизи рассматриваемой точки. Можно воспользоваться также отношением небольших приращений: K\=&.Vn Ih. Отсюда легко найти размерность коэффициента К\. Исходное уравнение динамики имеет прежний вид:
Нетрудно убедиться, что множитель при производной имеет размерность времени. Его называют постоянной времени и обозначают буквой T=F/Ki. Обозначив также К=1/К/, получим:
(2-15)
Задаваясь рядом значений текущего времени т, по этому выражению строим график переходной функции. Он имеет вид экспоненты, рис.2.8 в. С течением времени уровень жидкости приходит к новому установившемуся значению. Чтобы определить отклонение уровня в конце переходного процесса Ahic необязательно строить график. Достаточно в уравнении (2.14) производную приравнять нулю. Чем меньше постоянная времени Т, тем быстрее наступает новое состояние равновесия. Она является мерой инерционности
объекта. Подобные объекты считаются инерционными или апериодическими.
Динамические характеристики движений
Динамические параметры движений включают инерционные, силовые и энергетические характеристики (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Основные динамические характеристики движений
А. Инерционные характеристики движений
§ Инерция – это свойство тел сохранять скорость неизменной при отсутствии внешних воздействий (противодействовать началу или изменению движения).
§ Инертность – это свойство физических тел сопротивляться изменению скорости и направления движения под действием сил.
o Масса тела является мерой инертности: чем больше масса, тем инертнее тело и тем труднее вывести его из состояния покоя или изменить его движение.
Б. Силовые характеристики движений
§ Сила– мера механического действия одного тела на другое.
o Определяется произведением массы тела на ускорение, вызванное данной силой: F = m*a.
o Является векторной величиной.
§ Момент силы – мера вращающего действия силы.
o Определяется произведением модуля силы на ее плечо (кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы): M = F*l.
o Определяет изменение скорости движения.
В. Энергетические характеристики движений
§ Механическая работа силы – мера действия силы на тело при его перемещении под действием этой силы. Сила может совершать положительную и отрицательную работу – увеличивать или уменьшать энергию тела.
§ Мощность силы – мера быстроты приращения работы силы.
o Мощность (N) равна отношению работы ко времени, в течение которого она производилась: N = A / t.
§ Энергия – запас работоспособности системы.
o Кинетическая энергия – энергия механического движения тела, определяющая возможность совершения работы.
o Потенциальная энергия – энергия положения тела, обусловленная относительным расположением тел или частей одного и того же тела и характером их взаимодействия.
o Полная энергия телав поступательном и вращательном движениях равна сумме его потенциальной и кинетической энергии: Е = Еп + Ек.
o Закон сохранения энергии:энергия в замкнутой механической системе не исчезает, а переходит из одного вида в другой – рекуперация механической энергии.
Кинематические и динамические характеристики двигательных действий.
Эффект техники физических упражнений определяется прежде всего её биомеханическими характеристиками (т. е. количественные характеристики) отдельного движения. Различают кинематические (математические описания движения): пространственные, временные, пространственно-временные и динамические (причинные) характеристики движений.
Соответственно различают характеристики: пространственные, временные, пространственно-временные.
Пространственные характеристики позволяют определить, каково исходное и конечное положения при движении (координата), какова между ними разница, насколько они изменились (перемещение) и через какие промежуточные положения выполнялось движение (траектория), т.е. пространственные характеристики в целом определяют пространственную форму движений человека. Основными пространственными характеристиками являются:
· координата точки— это пространственная мера местоположения точки относительно системы отсчета;
· траектория точки— это пространственная мера движения (воображаемый след движения точки), траекторию определяют, устанавливая ее длину, кривизну и ориентацию в пространстве.
Кривизна траектории показывает, какова форма движения в пространстве. Ориентация траектории в пространстве при одной и той же ее форме может быть разная.
Момент времени — это временная мера положения точки тела и системы, определяемая промежутком времени до него от начала отсчета.
Момент времени определяют не только для начала и окончания движения, но и для других важных мгновенных положений. В первую очередь это моменты существенного изменения движения: заканчивается одна часть (фаза) движения и начинается следующая (например: отрыв стопы от опоры в беге — это момент окончания фазы отталкивания и начало фазы полета). По моментам времени определяют длительность движения.
Темп движений— это временная мера повторности движений. Он измеряется количеством движений, повторяющихся в единицу времени (частота движений)
Ритм движений— это временная мера соотношения частей движений. Он определяется по соотношению промежутков времени, затраченного на соответствующие части движения.
Ритм определяют как соотношение двух периодов времени (например: опоры и полета в беге) или длительности двух фаз периода (например: фазы амортизации и фазы отталкивания в опорном периоде). Можно говорить и о ритме ряда фаз (например: соотношение длительностей пяти фаз скользящего шага в лыжном ходе). Ритм бывает постоянным и переменным.
Пространственно-временные характеристики — это скорость и ускорение. Они определяют характер перемещения тела и его частей в пространстве. От скорости движений зависят их частота (темп), величина нагрузки в процессе выполнения упражнения, результат многих двигательных действий (ходьбы, бега, прыжков, метаний и др.).
Динамические характеристики. Динамические характеристики
Инерционные характеристики раскрывают, каковы особенности тела человека и движимых им тел в их взаимодействиях. От инерционных характеристик зависит сохранение и изменение скорости.
Все физические тела обладают свойством инертности (или инерции), которое проявляется в сохранении движения, а также в особенностях изменения его под действием сил.
Отсюда видно, что момент инерции тела больше, когда его частицы дальше от оси вращения, а значит угловое ускорение тела под действием того же момента силы меньше; если частицы ближе к оси, то угловое ускорение больше, а момент инерции меньше. Значит, если приблизить тело к оси, то легче вызвать угловое ускорение, легче разогнать тело во вращении, легче и остановить его. Этим пользуются при движении вокруг оси.
Силовые характеристики. Изменение движений происходит под действием сил. Сила не причина движения, а причина изменения движения; силовые характеристики раскрывают связь действия силы с изменением движения.
Сила — это мера механического воздействия одного тела на другое в данный момент времени. Численно она определяется произведением массы тела и его ускорения, вызванного данной силой.
Чаще всего говорят про силу и результат ее действия, но это применимо только к простейшему поступательному движению тела. В движениях человека как системы тел, где все движения частей тела вращательные, изменение вращательного движения зависит не от силы, а от момента силы Сила как физическое явление измеряется динамометром.