Работа и мощность человека

Раздел: Физика

Учебный год: 2012 / 2013

Руководитель: Кухмистрова Татьяна Викторовна, учитель физики и математики

Материалы работы: 600716.7z * (417,9 кБ)

Описание работы:

В данной работе рассчитывается мощность, развиваемая человеком при прыжке; сравниваются полученные результаты для групп различной физической подготовленности и устанавливается зависимость мощности организма человека от его физических возможностей.

Работа и мощность, которые характерны для человека, зависят от многих факторов. При кратковременных усилиях человек может развивать мощность порядка нескольких киловатт. Например, если спортсмен массой 70 кг подпрыгивает так, что его центр масс подни­мается на 1 м (по отношению к нормальной стойке), а фаза оттал­кивания длится 0,2 с, то он развивает мощность около 3,5 кВт.

При ходьбе с постоянной скоростью по ровному месту человек также совершает работу, хотя его кинетическая энергия не изме­няется. В данном случае энергия затрачивается главным образом на периодическое поднятие центра масс тела и на ускорение или замедление ног. Часть’ этой энергии идет на нагревание организма за счет «сопротивления» его частей и нагревание окружающей сре­ды. Например, человек массой 70 кг при ходьбе со скоростью 5 км/ч развивает мощность около 60 Вт. С возрастанием скорости эта мощность быстро увеличивается, достигая 200 Вт при скорости 7 км/ч. При езде на велосипеде положение центра масс челове­ка изменяется гораздо меньше, чем при ходьбе, и ускорение ног тоже меньше. Поэтому мощность, затрачиваемая при езде на

велосипеде, значительно меньше: 30 Вт при скорости 9 км/ч, 120 Вт при 18 км/ч.

Работа, совершаемая мышцами при выполнении активных дви­жений, называется динамической. Эта работа связана с переме­щением частей тела. В том случае, когда человек сохраняет свою позу неизменной, такие перемещения отсутствуют, а при отсут­ствии перемещения работа всех сил равна нулю. Поэтому может показаться, что человек, стоящий неподвижно, не тратит энергию. Однако опыт показывает, что сохранение неподвижной позы в тече­ние длительного времени вызывает значительное утомление. Еще большую усталость испытывает человек, держащий в вытянутой руке гантель. Сидящий человек также испытывает усталость мышц спины и поясничной области, если на плечи ему поместить груз. Причина усталости (а значит и энергозатрат) при статических на­грузках состоит в том, что покой в данном случае является кажу­щимся. Вследствие биологической активности мышц у человека всегда наблюдается физиологический тремор (лат. tremor — дро­жание). При этом происходят незаметные глазу очень мелкие и очень частые сокращения ирасслабления мышц. Следователь­но, мышцы постоянно совершают работу (такую работу называют статической) и расходуют запас энергии. Сила мышц падает и требуется перерыв для ее восстановления. Этим и объясняется то, что стоящий человек время от времени переносит тяжесть тела с одной ноги на другую.

В спортивной терминологии используются следующие понятия:

  • ритм работы определенная последовательность чередо­вания рабочих операций и их отдельных элементов в процессе дея­тельности;
  • темп работы число последовательно выполняемых опе­раций в единицу времени.

При этом мощность часто определяют как темп, в котором вы­полняется работа или расходуется энергия.

Эргометры.Для измерения работы человека применяют при­боры, называемые эргометрами. Например, велоэргометр пред­назначен для измерения полезной работы и мощности при езде на велосипеде. Для этого через обод колеса, которое вращает испы­туемый, перекинута стальная лента. Сила трения между лентой и ободом колеса измеряется динамометром. Вся работа испытуе­мого затрачивается на преодоление трения. Умножая длину окруж­ности колеса на силу трения, находят работу, совершенную при

каждом обороте. Зная число оборотов и время испытания, опреде­ляют полную работу и среднюю мощность.

Энергетика бега. Предположим, что бегун передвигается с по­стоянной скоростью по горизонтальной поверхности. Работа, ко­торая при этом совершается, сводится к преодолению трения и со­противления воздуха. При беге действие трения невелико, но, тем не менее, бег с постоянной скоростью связан со значительными затратами энергии. Энергия тратится на движение тела бегуна вверх-вниз и на отталкивание ногами от почвы. Кроме того, тело бегуна превращает энергию в теплоту. Дополнительная причина потери энергии заключается в том, что ноги бегуна, масса кото­рых составляет примерно 40% от массы тела, в про­цессе бега постоянно ускоряются и тормозятся. Поэтому работа, выполняемая мышцами ног для поддержания движения тела впе­ред с постоянной скоростью, велика.

В первом приближении можно считать, что работа, выполняе­мая мышцами бегуна за один шаг, пропорциональна кинетической энергии, сообщаемой той ноге, которая после отталкивания от зем­ли выносится вперед: А – mv 2 (m — масса ноги). В то же время эта работа определяется формулой А = Fd, где F — сила мышц, d — расстояние, на котором при каждом шаге мышцы выполняют ра­боту. Считается, что сила мышц (F) пропорциональна квадратухарактеристической длины (L 2 ), а масса (т) пропорциональна кубу характеристической длины (L 3 ). Кроме того, расстояние d пропор­ционально L.Следовательно,

Читайте также:  Кованые навесы для дверей

Таким образом, можно считать, что скорость, которую может поддерживать бегун, не зависит от его размеров. Ориентировочные значения скоростей, которые могут развивать человек и некото­рые животные, представлены в табл. 5.3.

Люди — неважные бегуны. Это объясняется тем, что масса ног человека составляет около 40% массы тела и требует значитель­ных затрат энергии при каждом торможении и разгоне. Самые быстроходные животные имеют худые ноги, а основная масса со­средоточена в теле. Большие мышцы ног у некоторых животных (лев, тигр, большие кошки) приспособлены для прыжков, а не для быстрого бега.

Человек ограничен в величине производимой им работы не толь­ко требуемой для этого энергией, но и скоростью ее использова­ния, т. е. мощностью. Например, человек может пройти большое расстояние по лестнице, прежде чем будет вынужден остановить­ся из-за того, что израсходовал слишком много энергии. Однако, при подъеме в высоком темпе, он может упасть в изнеможении, преодолев лишь небольшую часть пути. В этом случае ограничение ставит величина затрачиваемой мощности, т. е. скорости, с кото­рой человек за счет биохимических процессов преобразует
химическую энергию пищи в механическую работу. То обстоятель­ство, что активный организм часто функционирует на грани своих предельных возможностей, подтверждается множеством случаев, когда спортсмены на соревнованиях разрывают мышцы, связки, сухожилия.

Мощность энергозатрат человека с массой 70 кг при различных видах деятельности и при выполнении физических упражнении представлена в табл. 5.4 и 5.5

Представление о КПД человека дает таблица 5.6, в которой пред­ставлены сведения о полезной и затраченной мощностях при вы­полнении упражнений на велоэргометре (60 об/мин).

Заключение.

Отношение полезной мощности к затраченной показывает на­сколько эффективно используется энергия и называется коэффи­циентом полезного действия (КПД), который выражают в про­центах.

Человек ограничен в величине производимой им работы не толь­ко требуемой для этого энергией, но и скоростью ее использова­ния, т. е. мощностью. При этом мощность часто определяют как темп, в котором вы­полняется работа или расходуется энергия.

Список литературы.

1. Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика (http://nashaucheba.ru/)

2. Александер Р. Биомеханика. М., 1970.

Дата добавления: 2015-06-04 ; Просмотров: 2156 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Обложка урока взята с источника.

План урока:

Механическая работа. Что характеризует мощность?

Исторически впервые термин «работа» придуман французом Ж. Понселе. Вначале ученый связал работу с каждодневной жизнедеятельностью человека: «работа врача», «вернулся с работы», «устроился на работу», «тяжелая работа». К физике это относилось лишь потому, что идти на работу или работать – это значит совершать какое-то передвижение. Затем Понселе связал работу с силой и дал название «механическая работа»:

А вот в науке механическая работа – это понятие, формируемое по правилам физики.

Пусть непрерывная сила F переместила тело в своем направлении на расстояние s. Эта сила совершила механическую работу, так как она переместила тело.

В физике принято обозначать работу буквой А. Тогда:

Для вычисления работы возможен один из вариантов:

Отсюда вытекает вывод, что для осуществления механической работы необходимы два одновременно выполняемых условия: 1) сила и 2) перемещение, осуществляемое именно этой силой.

Например, сила тяги какого-нибудь двигателя, сила давления, сила тяжести могут совершать и положительную и отрицательную работы:

При движении по какой-то поверхности возникает сила трения, например, мотоцикл едет по дороге, санки катятся по снегу. Воздух оказывает сопротивление спускающемуся парашютисту. Направлены силы трения и сопротивления всегда против движения. Получается, что движение тела в одну сторону, а направление силы – в другую. В этих случаях работа, совершаемая такими силами, отрицательная. В приведенных примерах сила тяги мотоцикла; сила тяги ребенка, который тащит санки; сила тяжести, действующая на парашютиста совершают положительную работу.

Всегда направлены против движения – силы сопротивления и трения. Совершаемые ими работы – отрицательны.

А = 0 в следующих случаях:

Два случая нулевой работы понять не трудно. Например, человек пытается сдвинуть тяжелый камень, толкает его с большой силой, а камень не перемещается. Нет перемещения, нет и работы этой силы. Движение по инерции – есть перемещение, но без действия сил, опять работа равна нулю.

В случае с перпендикулярностью дело обстоит следующим образом. Например, рабочий толкает тележку по дороге. Сила, которую он прилагает к грузу, направлена горизонтально, и тележка движется горизонтально в направлении именно этой силы – есть положительная работа. Но на тележку оказывает влияние и сила тяжести. Сила тяжести перпендикулярна дороге, и в ее направлении тележка не движется. Значит, работа силы тяжести равна 0. У перемещения и сила должно быть одно направление.

Читайте также:  Стиральная машинка самсунг не нагревает воду

Про перпендикулярны надо подробнее

На уроке физкультуры дистанцию в 100 м пробежали все семиклассники. Они совершили одинаковую работу, но за различное время. Новое понятие физики, определяющее это условие – мощность.

Мощность – это тоже работа, но совершаемая за единицу времени. Например, за 8 с выполнена работа в 200 Дж, значит, за 1 с совершается 25 Дж работы (200 Дж : 8 с = 25 Дж).

Здесь можно провести аналогию со скоростью. Скорость – путь в единицу времени, мощность – это работа в единицу времени. 2 м/с означает, что за каждую секунду тело проходит путь 2 м. 2 Вт – это значит, что за 1 с совершается работа 2 Дж.

Для различных машин, простых и сложных механизмов и самого человека мощность – очень нужная характеристика. Численные ее значения различны. Например, сердечная мощность у взрослого человека – 2,2 Вт, а двигатели в ракетостроении достигают мощности десятков миллионов киловатт.

Сравнимы ли мощность простого неспортивного человека и одна полная лошадиная сила?

Ученые считают: мощность человека меньше лошадиной силы (при размеренной работе) в 10 раз, т.е. равна 70-80 Вт. Однако в некоторых ситуациях человек кратковременно показывает очень высокую мощность. Быстро пробежав по лестнице за 1 с 6 ступенек (1,2 м), взрослый человек (70 кг) проделывает работу 840 Дж. Это как раз его мощность 840 Вт, а 1 л.с. = 735,5 Вт. Человек в этом случае мощнее лошади (конечно, речь не о том, кто сильнее).

С 1980 года 1 л. с. как единица измерения официально отменена, но используется и сейчас. Мощности двигателей обычно указываются в кВт.

Какие бывают несложные механизмы. Как уравновесить рычаг?

Сила мускулатуры человека небезгранична. Чтобы облегчить нагрузки на мышцы, издавна человек пытается внедрить в свою деятельность различные приспособления, устройства, несложные механизмы. Простых механизмов сконструировано довольно много. Самые распространенные:

Архимед в древности разработал немалое количество механических устройств. Он же выдвинул и теорию рычага. Рычаг – жесткое тело с закрепленной опорой, способное свободно поворачиваться около этой опоры.

Как и у любого устройства или приспособления, у рычага есть свои характеристики. Это:

  • ось вращения (определяется точкой опоры);
  • левое плечо и правое плечо – это отрезки, соединяющие линии сил и точку опоры;
  • силы, прилагаемые с одной стороны от опоры или по разные стороны от нее.

Буквой О на рисунке отмечена точка опоры самого простейшего лабораторного рычага, отрезок ОА является плечом силы F1, отрезок ОВ – это плечо силы F2.

По расположению оси вращения применяются рычаги двух видов:

Рычаг дает возможность выиграть в силе. Это означает, что рычаг помогает заменить «неподъемную» силу, которой порой не хватает, на значительно меньшую. Но просто так ничего не бывает: выигрыш в силе – проигрыш в расстоянии.

По сути это равенство выражает условие равновесия рычага:

Отношение сил обратно пропорционально отношению плеч сил

Условие разрешает выигрывать в силе теоретически сколько угодно, но в действительности так не бывает. Плечо не бывает очень длинным. В свои времена Архимед выразил мысль о получении бесконечного выигрыша в силе фразой:

Пусть гениальный Архимед нашел искомую опору и сделал крепкий рычаг. Масса Земли 6 ∙ 10 24 кг, поднять тело в 50 – 60 кг обычный человек в состоянии. Получается, для смещения хотя бы на 1 мм Земли, Архимеду потребовалось бы прошагать путь в 10 17 км. Такие расчеты – хорошая демонстрация, каковы масштабы «проигрыша» в расстоянии.

Момент силы. Простые механизмы в природе, технике и быту

Из пропорции F2/F1 = l1/l2 получается равенство F1 ∙ l1 = F2∙ l2. Используя его, П.Вариньон (французский ученый) ввел первое определение момента силы:

Момент силы – это одна из величин, полученных путем математических преобразований. Использовали основное свойство пропорции F2/F1 = l1/l2, получили новое равенство F1 ∙ l1 = F2∙ l2. Слева и справа произведения одинаковых физических величин, только индексы разные. Слева – первая сила и ее плечо, справа – вторая сила и ее плечо. Назвали такое произведение моментом силы.

Если к телу приложены две силы, одна поворачивает тело по часовой стрелке, а другая – против, то для соблюдения равновесия нужно равенство:

Правило моментов соблюдается для произвольного жесткого тела, у которого зафиксирована ось вращения. Пусть тело произвольной формы имеет возможность вращаться (на рис. т.О обозначает ось). Плечом силы d здесь выступает расстояние от линии этой силы до оси. На тело может действовать несколько сил (необязательно две).

Из определения момента F ∙ l = M даже незначительная сила может дать большой вращающий момент, если взять достаточно большое плечо. Это условие часто применяют в технических и бытовых ситуациях. Расширенная рукоятка ключей, штопоров и отверток, удлиненные ручки гаечных ключей, вытянутые ручки ножниц по металлу – в этих устройствах длинные плечи.

Во многих отраслях деятельности человек издавна не обходится без использования рычагов. Это – технические устройства, механизмы, строительство.

Читайте также:  Порода свиней с сережками

Природа также создала много примеров рычагов. Самый замечательный из них – человеческая рука.

Чтобы удержать в руке тело, нужно уравновесить силу тяжести F2 и мышечную силу руки F1.

Интересен и такой пример природы. «Рычажный механизм» внутри цветка шалфея «загружает» шмелей пыльцой. Шмель, приземлившись на губу цветка (шалфей – семейство губоцветных), проникает внутрь за нектаром. У входа в цветок находятся две тычинки [1] . Они преграждают путь шмелю. Тычинки по внешнему виду напоминают рычаг. Мелкая часть каждой тычинки представляет одно плечо рычага. Находится это плечо снизу. Другое плечо рычага – это длинная верхняя часть тычинки. На ней раскачивается пыльник [2] .

Шмель, залезая в цветок, давит на нижнее, короткое, плечо. Сверху длинное плечо наклоняется, и пыльник смазывает пыльцой спинку насекомого. А дальше шмель садится на следующий цветок. Спинка зацепляется за рыльце пестика [3] другого цветка. Рыльце легко задеть, так как оно наклонено вниз. Пыльца попадает внутрь пестика. Таким образом происходит опыление шалфея насекомыми.

Простые механизмы: блок и ворот – это виды рычагов.

Ворот – по сути бревно, способное вращаться вместе со своей осью. К оси крепится ручка, держась за которую можно осуществлять вращение. Как простой механизм ворот часто применяют при подъеме тяжелых грузов с глубины.

Чтобы увидеть в блоке рычаг, нужно мысленно диаметрально провести через центр блока отрезок (на рисунке отрезок АВ). Тогда l1 и l2 будут плечами приложенных к тросу сил.

Плечи сил F1 и F2 при равновесии одинаковы, значит и силы тоже одинаковы. Неподвижный блок выиграть в силе не может.

Плечо l1 больше плеча l2 в 2 раза, то есть l1 = 2l2.

Тогда равенство F1 ∙ l1 = F2∙ l2 запишется так: F1 ∙ 2l2 = F2∙ l2 (вместо l1 подставляем 2l2). Слева и справа есть одинаковый множитель l1. на него можно сократить обе части равенства. Получается, что F1 ∙ 2 = F2. Иначе F2 = 2 F1

Из условия равновесия сила F1 меньше силы F2 в 2 раза. Подвижный блок в 2 раза выигрывает в силе.

Часто тяжелые тела поднимают по наклонной плоскости. Работа получается больше, но зато выходит выигрыш в силе. Разделив длину наклонной плоскости на высоту, возможно рассчитать этот выигрыш. В данном случае при условии незначительного трения это будет довольно приближенная оценка.

Привычная лестница – пример наклонной плоскости:

По вертикальной лестнице труднее подниматься. По наклонной лестнице подниматься легче, но она длиннее.

Винты и винтообразные устройства, клинообразные приспособления – часто применяемые разновидности наклонной плоскости. Винт – это накрученная на ось наклонная плоскость. Клин – две наклонные плоскости, объединенные в призму [4] .


Винт Источник


Клин Источник

Правило механики «на вес золота»

Используя разнообразные механические приспособления и устройства, люди облегчают себе труд, уменьшая физическую силу. Уменьшить работу эти механизмы не в состоянии. Если в механизмах применяется сила уменьшенная, то приходится увеличивать расстояние (длину наклонной плоскости, плечо рычага). К такому правилу пришел Герон Александрийский. По своей значимости это правило стало в механике «золотым правилом»:

Данное правило без учета силы тяжести и силы трения самих приспособлений и деталей механизмов является довольно приближенным.

КПД – коэффициент полезного действия

Прежде нужно разобраться в словах «полезное действие». Вот пример. Картофель, собранный для хранения на семена, фермер засыпает из ведер в большие контейнеры. Погрузка картофеля ведрами является полной (иначе совершенной) работой. Она состоит из подъема ведер и самого картофеля. Подъем картофеля – это работа полезная, а заполнение и поднятие ведер – бесполезная. Ведра нужно поднимать, опускать, наполнять картофелем.

Полная работа, конечно же, превышает полезную. Находя, как относится полезная работа к полной (совершенной работе), получают величину, называемую коэффициентом полезного действия (КПД). Часто КПД вычисляется в процентах. Для обозначения используется буква η (эта) из греческого алфавита.

КПД можно рассчитать следующим образом. Пусть дана наклонная плоскость:

Схематически на рисунке это выглядит так:

Работая над конструкциями и создавая машины, изобретатели стараются повысить КПД. Уменьшая массу работающих и движущихся частей в устройствах, трение контактирующих деталей, конструкторы добиваются неплохих результатов.

Нужно отметить, что нет механизмов, дающих КПД в 100%. В настоящее время уже есть машины и механизмы с КПД около 98-99 %, но создать работающее устройство со 100% – м КПД невозможно.

Словарь

1. Тычинка – мужская составляющая в строении цветка. Содержит пыльник с пыльцой, тычиночную нить.

2. Пыльник – часть тычинки, где созревает пыльца.

3. Пестик – часть цветка, представляющая женский орган с рыльцем, столбиком и завязью.

4. Призма – физическое тело, многогранник с двумя параллельными основаниями и боковыми гранями – параллелограммами. (Клин – треугольная призма, в основаниях которой лежат треугольники).

Оставьте ответ

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *