Биомеханика ударных действий

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

 

КАЛУЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. К.Э.ЦИОЛКОВСКОГО

 

 

 

Институт социальных отношений

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

 

по дисциплине «Биомеханника» на тему:

                     «Биомеханика ударных действий».

 

 

 

                                                            Выполнил:

                                                            студент 1 курса заочного 

                                                                       отделения

                                                           группы СОФ - 11

                                                Николаев Владимир Иванович.

                Проверил:

                                                 Арсланов

                                                           

 

 

 

 

Калуга 2013

 

Содержание

 

           Введение

1. Ударные действия в разных видах спорта.

2.    Причины, влияющие  на силу удара.

         Заключение

        Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

Введение

   Биомеханика – наука о законах механического движения в живых системах. Она изучает движения с точки зрения законов механики, свойственных всем без исключения механическим движениям материальных тел. Объект познания биомеханики – двигательные действия человека как системы взаимно связанных активных движений и положений его тела. Область изучения биомеханики – механические и биологические причины возникновения движений, особенности их выполнения в различных условиях. Общая задача изучения движений состоит в оценке эффективности приложения сил для достижения поставленной цели.

   Ударом в механике называется кратковременное взаимодействие тел, в результате которого резко изменяются их скорости. При таких взаимодействиях возникают столь большие силы, что действием всех остальных сил можно пренебречь. Обычно время соударения много меньше по сравнению со временем наблюдения.

  Задачей этой работы  является рассмотрение ударных  действий в разных видах спорта  и причин, влияющих на силу  удара.

1. Ударные действия в разных видах спорта.

Примерами ударов являются:

· Удары по мячу, шайбе. При этом происходит быстрое изменение скорости по величине и направлению.

· Приземление после прыжков и соскоков. При этом скорость тела спортсмена резко снижается до нуля.

   В физической культуре и спорте ударные действия встречаются в основном в спортивных играх: футбол, хоккей, хоккей на траве, теннис, настольный теннис, волейбол и т. д. Хотя существуют удары в боксе и восточных единоборствах. Цель ударного действия состоит в том, чтобы сообщить снаряду (мячу, шайбе) определённую скорость, направление и вращение. В целом ряде видов спорта (хоккее, теннисе и др.) для этого используют

4

клюшку, ракетку.

                              2.  Зависимость силы удара.

   Основной мерой ударного взаимодействия является ударный импульс. За время удара скорость тела, например, мяча изменяется на определённую величину. Это изменение прямо пропорционально ударному импульсу и обратно пропорционально массе тела. Другими словами, ударный импульс равен изменению количества движения тела.

В ударных действиях различают:

1. Замах – движение, предшествующее  ударному движению и приводящее  к увеличению расстояния между  ударным звеном тела и предметом, по которому наносится удар. Эта  фаза наиболее вариативна.

2. Ударное движение – от конца замаха до начала удара.

3. Ударное взаимодействие (или собственно удар) – столкновение  ударяющихся тел.

4. Послеударное движение  – движение ударного звена  тела после 

прекращения контакта с предметом, по которому наносился удар.

При механическом ударе скорость тела (например, мяча) после удара тем выше, чем больше скорость ударяющего звена непосредственно перед ударом. При ударах в спорте такая зависимость не обязательна. Например, при подаче в теннисе увеличение скорости движения ракетки может привести к снижению скорости вылета мяча, так как ударная масса при ударах, выполняемых спортсменом непостоянна: она зависит от координации его движений.

   Если, например, выполнять удар за счёт сгибания кисти или с расслабленной кистью, то с мячом будет взаимодействовать только масса ракетки и кисти и скорость вылета мяча будет невысокой. Если же в момент удара ударяющее звено закреплено активностью мышц- антагонистов и представляет собой как бы твёрдое тело, то в ударном взаимодействии будет принимать участие масса всего этого ударного звена.

5

   Иногда спортсмен наносит два удара с одной и той же скоростью, а скорость вылета мяча или сила удара оказывается различной. Это происходит от того, что ударная масса неодинакова. При изучении баллистического движения спортсменов, выполняющих удары, было обнаружено, что, если в начале выполнения такого движения все усилия, приложенные к центрам тяжести звеньев кинематической цепи (нога), направлены по ходу движения, то перед самым соприкосновением с ударяемым предметом эти усилия меняют своё направление на обратное. На рисунке 2 показано ударное движение спортсмена, выполнившего удар ногой по мячу, после которого скорость вылета мяча составляла одну из самых высоких (около 36 м/с).

 

 

   Описываемое явление имеет под собой совершенно определённые физические причины. При нанесении любого удара весьма важно превратить мягкую кинематическую цепь ноги в «единый жёсткий рычаг» - (сделать её стержнем). В этом случае в ударе примет участие не только масса конечного звена цепи, но и массы всех остальных звеньев (ударяющей по мячу ноги) – это заметно повышает массу всего ударного звена. Превратившись в жёсткую систему, кинематическая цепь конечности не будет в момент удара амортизировать и, следовательно, передаст ударяемому предмету максимально возможное количество кинетической энергии.

   Таким образом, координация движений при максимально сильных ударах подчиняется двум требованиям:

 

6

1) сообщение наибольшей  скорости ударяющему звену в  момент соприкосновения с ударным телом;

2) увеличение ударной  массы в момент удара.

Это достигается «закреплением» отдельных звеньев ударяющего звена в момент удара, путём одновременного включения мышц-антагонистов, а также увеличением радиуса вращения ударного звена. Например, в боксе сила удара правой рукой увеличивается, если ось вращения ударного звена правой руки проходит вблизи левого плечевого сустава.

   Ударная сила зависит, согласно закону Ньютона, от эффективной массы ударяющего тела и его ускорения:

Рис. 1 - Кривая развития силы удара во времени.

 

F = ma (1)

 где

 F - сила,

 m - масса,

 a - ускорение.

 

 Если рассматривать  удар во времени, то взаимодействие  длится очень короткое время  – от десятитысячных (мгновенные  квазиупругие удары), до десятых  долей секунды (неупругие удары). Ударная сила в начале удара быстро возрастает до наибольшего значения, а затем падает до нуля (рис. 1). Максимальное ее значение может быть очень большим. Однако основной мерой ударного взаимодействия является не сила, а ударный импульс, численно равный площади под кривой F(t). Он может быть вычислен как интеграл:

       t2

S=  i F(t) dt    

      t1

7

                                                                          

 

 где S – ударный импульс, t1 и t2 – время начала и

конца удара, F(t) – зависимость ударной силы F от времени t.

Так как процесс соударения длится очень короткое время, то в нашем случае его можно рассматривать как мгновенное изменение скоростей соударяющихся тел.

 В процессе удара, как  и в любых явлениях природы  должен соблюдаться закон сохранения энергии. Поэтому закономерно записать следующее уравнение:

E1 + E2 = E'1 + E'2 + E1п + E2п (3)

 где

 E1 и E2 – кинетические энергии первого и второго тела до удара,

 E'1 и E'2 – кинетические энергии после удара,

 E1п и E2п – энергии потерь при ударе в первом и во втором теле.

    Соотношение между кинетической энергией после удара и энергией потерь составляет одну из основных проблем теории удара.

 Последовательность механических явлений при ударе такова, что сначала происходит деформация тел, во время которой кинетическая энергия движения переходит в потенциальную энергию упругой деформации. Затем потенциальная энергия переходит обратно в кинетическую. В зависимости от того, какая часть потенциальной энергии переходит в кинетическую, а какая теряется, рассеиваясь на нагрев и деформацию, различают три вида удара:

Абсолютно упругий удар – вся механическая энергия сохраняется. Это

8

идеализированная модель соударения, однако, в некоторых случаях, например в случае ударов бильярдных шаров, картина соударения близка к абсолютно упругому удару.

Абсолютно неупругий удар – энергия деформации полностью переходит в тепло. Пример: приземление в прыжках и соскоках, удар шарика из пластилина в стену и т. п. При абсолютно неупругом ударе скорости взаимодействующих тел после удара равны (тела слипаются).

Частично неупругий удар — часть энергии упругой деформации переходит в кинетическую энергию движения.

  В реальности все удары являются либо абсолютно, либо частично неупругими. Ньютон предложил характеризовать неупругий удар так называемым коэффициентом восстановления. Он равен отношению скоростей взаимодействующих тел после и до удара. Чем этот коэффициент меньше, тем больше энергии расходуется на некинетические составляющие E1п и E2п (нагрев, деформация). Теоретически этот коэффициент получить нельзя, он определяется опытным путем и может быть рассчитан по следующей формуле:

(4)

 

 где

 v1 , v2 – скорости тел до удара,

 v'1 , v'2 – после удара.

   При k = 0 удар будет абсолютно неупругим, а при k = 1 – абсолютно упругим. Коэффициент восстановления зависит от упругих свойств соударяемых тел. Например, он будет различен при ударе теннисного мяча о разные грунты и ракетки разных типов и качества. Коэффициент восстановления не является просто характеристикой материала, так как зависит еще и от скорости ударного взаимодействия - с увеличением

9

скорости он уменьшается.

Ударными в биомеханике называются действия, результат которых достигается механическим ударом. В ударных действиях различают:

Замах – движение, предшествующее ударному движению и приводящее к увеличению расстояния между ударным звеном тела и предметом, по которому наносится удар. Эта фаза наиболее вариативна.

Ударное движение – от конца замаха до начала удара.

Ударное взаимодействие (или собственно удар) – столкновение ударяющихся тел.

Послеударное движение – движение ударного звена тела после прекращения контакта с предметом, по которому наносится удар.

   При механическом ударе скорость тела (например, мяча) после удара тем выше, чем больше скорость ударяющего звена непосредственно перед ударом. При ударах в спорте такая зависимость необязательна. Например, при подаче в теннисе увеличение скорости движения ракетки может привести к снижению скорости вылета мяча, так как ударная масса при ударах, выполняемых спортсменом, непостоянна: она зависит от координации его движений. Если, например, выполнять удар за счет сгибания кисти или с расслабленной кистью, то с мячом будет взаимодействовать только масса ракетки и кисти. Если же в момент удара ударяющее звено закреплено активностью мышц-антагонистов и представляет собой как бы единое твердое тело, то в ударном взаимодействии будет принимать участие масса всего этого звена.

   Иногда спортсмен наносит два удара с одной и той же скоростью, а скорость вылета мяча или сила удара оказывается различной. Это происходит из-за того, что ударная масса неодинакова. Величина ударной массы может использоваться как критерий эффективности техники ударов. Поскольку рассчитать ударную массу довольно сложно, то эффективность ударного взаимодействия оценивают как отношение скорости снаряда после удара и

10

скорости ударного элемента до удара. Этот показатель различен в ударах разных типов. Например, в футболе он изменяется от 1,20 до 1,65. Зависит, он и от веса спортсмена.

   Некоторые спортсмены, владеющие очень сильным ударом (в боксе, волейболе, футболе и др.), большой мышечной силой не отличаются. Но они умеют сообщать большую скорость ударяющему сегменту и в момент удара взаимодействовать с ударяемым телом большой ударной массой.

   Многие ударные спортивные действия нельзя рассматривать как «чистый»

удар, основа теории которого изложена выше. В теории удара в механике предполагается, что удар происходит настолько быстро и ударные силы настолько велики, что всеми остальными силами можно пренебречь. Во многих ударных действиях в спорте эти допущения не оправданы. Время удара в них хотя и мало, но все-таки пренебрегать им нельзя; путь ударного взаимодействия, по которому во время удара движутся вместе соударяющиеся тела, может достигать 20-30 см.

  Поэтому в спортивных ударных действиях, в принципе, можно изменить количество движения во время соударения за счет действия сил, не связанных с самим ударом.

               3. Биомеханика ударных действий в единоборствах.

Итак - СИЛА. А конкретно - сила удара. О ней много говорят и к ней, к силе удара, к ее увеличению, многие стремятся и пропадают в спортивных залах с утра до ночи. Что же такое сила удара?