Применение законов динамики для анализа движений спортсменов
Разберем некоторые примеры, показывающие, каким образом законы динамики применяются -для анализа сложных движений и вычисления сил, нагружающих суставы, сухожилия и мышцы. На рис. 8.8. показан стартующий бегун. На него действуют сила тяжести mg и реакция опоры R, сообщающие центру масс бегуна ускорение а.
Рис. 8.8. Силы, действующие на тело спринтера при отталкивании во время старта
Воспользуемся неинерциальной системой отсчета, связанной с центром масс. В этой системе центр масс покоится. Согласно принципу Д,Аламбера к реальным силам следует добавить фиктивную силу инерции FИ = -т·а и записать условие покоя:
В проекциях на координатные оси это равенство запишется в виде системы двух уравнений:
где Rx, Ry — составляющие реакции опоры; аy и ах — вертикальная и горизонтальная составляющие ускорения центра масс в момент старта. Эти уравнения можно использовать для решения двух задач: • зная силы, действующие на тело, описать движение центра масс; • зная ускорение тела (используя различные способы регистрации, например, киносъемку), определить вызвавшие его силы. Вычислим силу тяги мышц fm, нагружающих ахиллово сухожилие при старте бегуна. На рис. 8.9 показаны стопа и действующие на нее силы. Это реакция опоры R, сила тяжести mcT·g, сила тяги мышц Fm и сила, нагружающая голеностопный сустав, F. Кроме того, на стопу действуют силы пассивного сопротивления, связанные с деформацией соединительных тканей и с силой трения в суставе.
Рис. 8.9. Силы, действующие на стопу спортсмена при отталкивании
Обозначим ускорение голеностопного сустава аст и воспользуемся связанной с ним неинерциальной системой отсчета. В этой системе сустав неподвижен, а стопа вращается вокруг него с некоторым угловым ускорением ε. Согласно принципу Д'Аламбера к реальным силам следует добавить фиктивную силу инерции Fи = —т· аст и записать условие вращения:
где mст, Iст — масса и момент инерции стопы (относительно голеностопного сустава); Мc, — момент сил пассивного сопротивления; Мм — момент силы тяги мышц (Fм), нагружающих ахиллово сухожилие; hх, hу, h1, h2 — плечи сил. Проанализируем левую часть этого уравнения. Сила тяжести (mст·g) и сила инерции (mстаст), действующие на стопу, малы по сравнению с силами реакции опоры (Rx и Ry ), а их плечи (h2 и h2) меньше плеч сил реакции опоры(hx и hy). Поэтому моментами этих сил (—mn·g·h2 и mn·aст·h1 ) можно пренебречь. Момент сил пассивного сопротивления в суставе С/И.) также незначителен по сравнению с моментами сил реакции опоры. Правую часть уравнения можно принять равной нулю, поскольку согласно расчетам и измерениям, произведение момента инерции стопы; на ее угловое ускорение (Iст ·εст) мало по сравнению с основными слагаемыми левой части. Поэтому уравнение (8.10) упрощается:
Отсюда получаем соотношение для момента силы тяги мышц:
Момент силы тяги мышц равен произведению силы на плечо:
а составляющие реакции опоры определяются системой (8.9):
Подставив эти выражения в (8.11), получим:
Отсюда находим формулу для расчета приближенного значения силы тяги мышц, нагружающих ахиллово сухожилие:
Вычислим ориентировочное значение этой силы. Для взрослого человека можно принять т = 70 кг, hy =12 см, hx =10 см, h3 = 6 см. Измеренные значения составляющих ускорения центра масс равны а 1,5g, a g. Подставив эти значения в (8.12) получим:
Полученное значение близко к максимально допустимой нагрузке для ахиллова сухожилия, которая составляет примерно 5000 Н. Проведя аналогичные расчеты, можно получить значение для силы F, которой нагружен голеностопный сустав. В данном случае получается значение близкое 3·mg.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Применение законов динамики для анализа движений спортсменов» з дисципліни «Біомеханіка»
