Силы сопротивления среды              

Реакции опоры

Силы трения

Силы упругой деформации

В биомеханике тело человека рассматривается как система, относительно которой рассматриваются силы внешние и внутренние.  (Но иногда бывает целесообразно расширить систему (например, велосипедист — велосипед) или ограничитьее(например, тело прыгуна в воду рассматривают как две связанные системы — верхнюю и нижнюю половины по весу тела. Тяги мышц, соединяющих эти системы, можно рассматривать как внешние дли них силы).

Внешние относительно системы силы — мера воздействия на нее

Объектов окружающей среды.

Внешние силы обладают особенностями, значение которых важно для понимания динамики. Они могут быть мысленно приложены к цент­ру тяжести системы как изменяющие его движение, могут изменять и ее кинетический момент, что невозможно для внутренних сил. В этом главный смысл разделения сил на эти группы (внешние и внутренние силы).

 

Сила тяжести и вес

Сила тяжести тела — это мера притяжения тела к Земле с учетом уменьшения силы притяжения вследствие суточного вращения Земли. Сила тяжести тела равна геометрической (векторной) сумме гравитационной и инерционной (центробежной) сил и при­ложена как равнодействующая всех сил тяжести частиц тела к его центру тяжести.

Все тела на Земле находятся в поле земного тяготения. Тело массы т притягивается Землей массы М с силою F по линии, соединяю­щей их центры масс.

Вес тела (статический) — это мера его воздействия в покое на покоящуюся же связь (опору, подвес), как на препятствие, ме­шающее падению.    

Для определения величины силы применяется также динами­ческое измерение — по ускорению свободно падающего тела (для технических расчетов принимают 981 см/сек), В разных пунктах Земли это ускорение различно, но в некоторых практических задачах это различие можно не учитывать. Для приближенных расче­тов (в учебных заданиях) его считают равным 9,8 или даже 10,0 м/сек.

Сила тяжести тела человека и вес удержи­ваемых им тел вызваны земным тяготением и поэтому служат для человека внешними силами.

Различают статический вес (тело покоится) и динамический вес. На горизонтальной плоскости сила тяжести (G) вызывает опорную реакцию (R); обе силы взаимно уравновешены. На нак­лонной плоскости составляющие силы тяжести соответ­ственно вызывают опорную реакцию R_N и силу трения Т.

  Вне опоры сила тяжести вызывает у всех звеньев свободно падающего тела одинаковое ускорение, поэтому на взаимное расположение и относительное движение частей тела сила тяжести в полете не влияет. Поскольку тело не действует на опору, то нет веса — тело находится в состоянии невесомости.

 

Итак, сила тяжести тела действует: а) на опо­ру в покое — как статический вес; б) на опору пpи вертикальном ускорении—как динами­ческий вес и в) вне опоры — как причина уско­рения свободно падающего тела.

В положении на опоре силы тяжести либо проходят через оси суста­вов тела и тянут части тела вниз, либо действуют на плече силы тяжести (d) и обладают моментом относительно оси суста­ва — ai(,(g). Так же действуют на тело человека своим весом и внеш­ние тела, удерживаемые или приводимые в движение человеком. Стало быть, при опоре вес звеньев тела и отягощений всегда влияет на рас­положение и движение звеньев тела. Изменять статический вес внеш­них тел и своих частей тела человек не может, но и з м е н я т ь мо­менты сил тяжести, а также динамический вес можно и иногда нужно — в зависимости от задачи движения и конк­ретных условий.

Силы инерции внешних тел

Сила инерции внешнего тела в инерциальной системе отсчета (реальная сила) — это мера действия на тело человека со стороны тела, ускоряемого им. Она равна произведению массы внешнего тела на его ускорение, направлена в сторону, противоположную ускорению, и приложена к рабочей точке тела человека (место его контакта с ускоряемым телом или опорой).

При движениях человек, изменяя скорость внешних тел, сооб­щает им ускорение. Как противодействие ускоряющей силе действия человека возникает внешняя сила инерции ускоряемых тел.

 Сила инерции внешнего тела, действующая на тело человека,— это реакция, испытываемая телом человека со стороны ускоряемого тела, которому он, и только он, сообщает ускорение. При толкании штанги возникает ее ускорение от груди и рук (а), направленное вверх (рис. 30, а). Сила инерции штанги, приложенная к груди и рукам, обус­ловлена ускоряющей силой F^, равна ей по величине и направлена противоположно (вниз); она складывается с весом штанги. Если атлет замедляет движение штанги, направленное вниз (опуская ее на по­мост), то ускорение штанги также направлено вверх. Сила же инерции штанги, как и ее вес, направлена вниз и приложена к рукам атлета (см. рис. 30,6).

Силы инерции как внешние силы проявляются также при замед­лении человеком движения внешних тел, т. е. при их торможении. Примером проявления сил инерции может быть, в частности, действие внешних материальных объектов, в том числе жидкостей, газов— удар волны, порыв ветра.

Все это — примеры реальной (ньютоновой) силы инерции, отсчи­тываемой в инерциалыюй системе отсчета и приложенной к уско­ряющему телу со стороны ускоряемого в поступательном движении.

При искривлении траектории внешнего тела силой человека во вращательном движении центробежная сила, как сила инерции вращаемого тела (равная по модулю центростремительной тяге спортсмена), направлена по радиусу от центра и приложена к рабочей точке тела человека (см. рис. 30, в).

 

Рис. 30. Сила инерции:

а, б, в — реальная при ускорениях: а — положительном, б — отрицательном,. в — нормальном,

Во вращательном движении полная сила инерции тела составляет­ся из тангенциальной составляющей при угловом ускорении) и нормальной — при центростремительном ускорении).

 

3.3.Силы сопротивления среды

Давление в газе или жидкости — это мера силы механического воздействия между элементами данной среды и элементами среды и другими телами. Оно равняется отношению силы к той площади, через которую осуществляется воздействие. Для всякой площадки в среде направление силы действия одного элемента среды на другой только нормальное (перпендикулярное площадке).

Человек всегда находится и передвигается в какой-либо среде—либо воздушной, либо водной. Он вступает в механиче­ское взаимодействие со средой. 'Силы ее действия могут проявляться статически (аэро-и гидростатика), например вытал­кивающая сила (по закону Ар­химеда), или динамиче­ски (аэро- и гидродинамика), например подъемная сила в потоке воздуха или воды.

Выталкивающая сила — это мера действия среды на погружен­ное в нее тело. Выталкивающая сила равна геометрической (век­торной) сумме сил, действующих на все элементы поверхности тела; она всегда равна по модулю весу вытесненного объема жид­кости или газа и направлена вверх.            

Лобовое сопротивление — это сила, с которой среда препятствует относительному движению в ней тела.Лобовое сопротивление при относительно небольших скоростях приближенно равно про­изведению площади поперечного сечения тела, коэффициента лобового сопротивления, плотности среды и квадрата относи­тельной скорости:

Подъемная сила — это сила, действующая со стороны среды на тело, расположенное под углом к потоку. Подъемная сила зави­сит от тех же факторов, что и лобовое давление: Ry=SC y r v², где Су — коэффициент подъемной силы.

 

           3.4. Реакции опоры

 Реакции опоры — это мера противодействия опоры при давлении на нее со стороны покоящегося или движущегося при контакте с ней тела. Реакция опоры равна по величине силе, с которой те­ло действует на опору, направлена в противоположную этой силе сторону и приложена к телу в той точке, через которую проходит линия силы, действующей на опору.

   

 

Силы трения

Сила трения — это мера противодействия движению, направлен­ному по касательной к поверхности прикасающегося тела. Вели­чина силы трения (как составляющей реакции поверхности связи) зависит от воздействия движущегося или смещаемого тела; она направлена против скорости или смещающей силы и приложе­на в месте соприкосновения.

Различают три вида трения: трение скольжения, качения и верчения.

Силы упругой деформации

Сила упругой деформации — это мера действия деформированного тела на другие тела, с которыми оно соприкасается. Величина и направление упругих сил зависят от упругих свойств деформи­рованного тела, а также от вида (сжатие, растяжение и др.) и величины деформации.

Все реальные твердые тела, а также жидкости и газы в той или иной степени деформируются под действием приложенных сил, при этом в них возникают силы упругой деформации (или упругие силы).

 

4. Внутренние относительно системы силы

Силы мышечной тяги