Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Теоретическая механика и её приложения к решению задач биомеханики

..pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
5.24 Mб
Скачать

Подставляя сюда

^ =

’ *^° ^ ^Црин> Т0 = 0, Ар = Mgh = Mg£(l —coscp),

получим, что

 

 

 

0)2 = ¥ ( 1_C0S<P)-

(П.17)

 

Рни

 

Продифференцируем (o2(t) по времени:

-^-(co2(<Y) = 2са— = ^^sincpto

(/Л У)>

dt p i

и найдем угловое ускорение е = dot/dt:

e = -^-sin<p.

(11.18)

Рин

Из (11.17) и (И-18) найдем со и е при ср = 180°, что соответству­ ет нижнему положению гимнаста:

©2 = ^ , е = 0.

(11.19)

РИ1

Подставив в(11.16)ф = 180° и (11.19), получим ответ:

* о = 0 ,

г

2 >

(11.20)

Y0 Mg 1 + 4 е |

 

 

„Р и н , >

 

В частности, при р т = I реакция опоры У0 = 5 Mg. Нагрузка на руки в 5 раз превышает вес гимнаста.

По данным работы [14], в среднем расстояние от центра масс гимнаста до оси вращения i — 1,2 м, а момент инерции относитель­ но фронтальной оси, проходящей через центр масс, Jc= \l кг-м\ По теореме Штейнера (4.19) J 0 = J C+ M i1. Это позволяет вычислить радиус инерции гимнаста:

П риМ = 70 кг получим, что Рин — 1,3 м. Тогда из (11.20) найдем реакцию перекладины:

Yo=4AMg.

Заметим, что в приведенных расчетах не учтены упругие свой­ ства человеческого тела и перекладины.

11.7. Пример. Потеря кинетической энергии бегущего человека

Человек массой бежит по горизонтальной прямой со скоро­ стью и (рис. 11.6). Неожиданно он запинается о невысокое препят­ ствие, и его стопа останавливается. Пренебрегая отклонением чело­ века от вертикали, определить потерю кинетической энергии при торможении. Рассмотреть две модели человека (рис. 11.7 и 11.8):

А. Однородный прямолинейный стержень.

Б. Два однородных прямолинейных стержня, сочлененных иде­ альным шарниром.

Решение. При решении задачи принимаются допущения тео­ рии удара — за время удара учитываются только ударные силы, ко­ торые изменяют скорости точек системы на конечные величины, а перемещения точек считаются пренебрежимо малыми. Последнее

К 02 Уг<в = j2 w ( 2 ^ 2a). Приравнивая кинетические моменты до

и после столкновения, получим угловую скорость

00 =

3 и

 

(11.21)

---- .

 

 

4 е

 

 

Потеря кинетической энергии равна разности кинетических

энергий до и после удара:

 

 

 

АТ = Т0 - T = -2 m -\)2 - - J o , -со2 = - о т и 2.

(11.22)

2

2

4

 

Б. После столкновения нижний стержень будет вращаться во­ круг оси Oz, а верхний стержень совершать плоскопараллельное движение. Сформулируем два условия сохранения кинетического момента:

1. Сохранение кинетического момента всей системы относи­ тельно неподвижной оси Oz.

2. Сохранение кинетического момента верхнего стержня отно­ сительно неподвижной оси Cz{(см. рис. 11.8).

В первом случае условия действия сил такие же, как в модели А . Во втором ударная реакция нижнего стержня F2 момента относи­ тельно оси Cz\ не создает.

Обозначим угловые скорости стержней после удара через шiи to2. Кинетический момент нижнего стержня после удара найдем по формуле (8.15) для вращающегося тела, а верхнего — по теореме Кёнига (8.20) и запишем равенство кинетических моментов до и по­ сле удара для системы в целом:

2m\)t = J\<xi\ -t-mUcj — £ + ./„<02.

 

1

£

1

Подставляя сюда У, —- m l 1, о 0 = 1(й\

+ —<о2, Уо = — m l1,

3

2

12

после преобразования получим уравнение

 

 

Поз, +5со2 = 12—

 

(11.23)

Для верхнего стержня

лютно жесткий. В момент касания шестом поверхности земли прыгун поднимает ноги вверх и поднимается в воздух, держась за шест. Какой должна быть минимальная горизонтальная скорость прыгуна, чтобы он мог поставить шест в вертикальное положение (рис. 11.9)?

Решение. Количество движения спортсмена и шеста перед ка­ санием шестом поверхности в точке О равно /ии0. Это количество движения не сохраняется во время удара вследствие действия сил реакции опоры в точке О. Однако момент количества движения от­ носительно точки О остается постоянным. Предполагая, что масса атлета сосредоточена в точке на расстоянии d от точки О, а шест не­ весом, условие сохранения момента количества движения приводит к следующему выражению:

 

mv0h=mvid,

(11.27)

отсюда

u x= vQh/d,

 

в котором t>i — скорость спортсмена сразу после отталкивания. При выводе этого уравнения мы предположили, что скорость спортсме­ на сразу после отталкивания действует по нормали к шесту, как по­ казано на рисунке 11.9.

Выражение (11.27) показывает, что отталкивание спортсмена от земли ведет к снижению скорости с и 0 до о 0 hjd. Таким образом, отношение кинетической энергии до отталкивания и после отталки­ вания равно (h /d y . Для й = 0 , 9 м и ^ = 2 м примерно 80 % кинети­

ческой энергии прыгуна рассеивается во время отталкивания. Рассмотрим сохранение энергии между двумя моментами вре­

мени — моментом txсразу после отталкивания и моментом t2, когда шест примет вертикальное положение.

7"i+n,=(l/2)/w(o 0h/’rf)2 +mgh.

(11.28)

Ti+Tl^O+mgd. (11.29)

Приравнивая выражение для энергии в моменты времени txи t2, придем к следующему соотношению между начальной скоростью прыгуна и вертикальным расстоянием, которое пройдет его центр масс при использовании шеста:

vl= 2g(d/h)2( d - h ) .

(11.30)

Эта скорость необходима для того, чтобы поставить шест в вертикальное положение. Предполагая, что лучшие спорт­ смены пробегают 100 м пример­ но за 10 секунд, получаем верх­ нюю границу для скорости — примерно 10 м/с. Из выражения (11.30) следует, что центр масс прыгуна ростом 1,8 м при скоро­ сти 10,3 м/с может подняться на высоту только около 2 м. Поче­ му жесткий шест так неэффекти­ вен в подъеме спортсмена? Для ответа на этот вопрос необходи­ мо рассмотреть скорость о i прыгуна сразу после отталкива­ ния. Для и 0 = 12 м/с и d = 4 м, v>i = 2,7 м/с. Очевидно, что боль­ шая часть кинетической энергии и количества движения теряется во время касания шестом по­ верхности. Если атлет будет ис­

пользовать гибкий шест, то часть кинетической энергии прыгуна сохранится в шесте в виде энергии упругого изгиба. Но это уже дру­ гая задача.

11.9.Контрольные вопросы

1.Сформулируйте теорему об изменении кинетической энер­ гии материальной точки.

2.Как вычисляется кинетическая энергия твердого тела в раз­ личных случаях его движения?

3.Сформулируйте теорему об изменении кинетической энер­ гии механической системы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Ньютон И. Математические начала натуральной философии.— М.: Наука, 1989.— 690 с.

2.Бернштейн Н. А. Общая биомеханика. Основы теории движения чело­ века.— М., 1926.— 416с.

3.Янсон X. Бернштейн Н. А.— родоначальник научной биомеханики в России // Биомеханика и протезирование.— 1992.— № 1.— С. 12-16.

4.Александер Р. Биомеханика.— М.: Мир, 1970.— 340 с.

5.Бранков Г. Основы биомеханики.— М.: Мир, 1981.— 256 с.

6.Глазер Р. Очерк основ биомеханики.— М.: Мир, 1988.— 128 с.

7.Образцов И. Ф., Ханин М. А. Оптимальные биомеханические систе­ мы.— М.: Медицина, 1989.— 272 с.

8. Исследования по биодинамике ходьбы, бега, прыжка / под ред.

Н.А. Бернштейна.— М.: Физкультура и спорт, 1940.— 310 с.

9.Вукобратович М. Шагающие роботы и антропоморфные механизмы.— М.: Мир, 1976.— 544 с.

10.Коренев Г. В. Введение в механику человека.— М.: Наука, 1977.— 264 с.

11.Зациорский В. М., Аруин А. С., Селуянов В. Н. Биомеханика двига­ тельного аппарата человека.— М.:Физкультура и спорт, 1981.— 144 с.

12.Формальский А. М. Перемещение антропоморфных механизмов.— М.: Наука, 1982.— 368 с.

13.Белецкий В. В. Двуногая ходьба.— М.: Наука, 1984.— 288 с.

14.Петров В. А., Гагин Ю. А. Механика спортивных движений.— М.: Физ­ культура и спорт, 1974.— 232 с.

15.Агашин Ф. К. Биомеханика ударных движений.— М.: Физкультура

испорт, 1977.— 208 с.

16. Донской Д. Д., Зациорский В. М. Биомеханика.— М.: Физкультура

испорт, 1979.— 264 с.

17.Лапугин А. Н. Обучение спортивным движениям.— Киев: Здоров'я, 1986.— 216 с.

18.Лагутин А. Н., Хапко В. Е. Биомеханика физических упражнений.— Киев: Радянська школа, 1986.— 136 с.

19.Уткин В. Л. Биомеханика физических упражнений.— М.: Просвеще­ ние, 1989.— 205 с.

20.Гагин Ю. А., Гаврилов В. И., Джаркешев 3. А. Теория и практика двига­ тельного мастерства.— Алма-Ата: Рауан, 1990.— 182 с.

21.Добронравов В. В., Никитин Н. Н., Дворников А. Л. Курс теоретиче­ ской механики.— М.: Высшая школа, 1974.— 528 с.

22.Никитин Н. Н. Курс теоретической механики.— М.: Высшая школа, 1990.— 608 с.

23.ТаргС. М. Краткий курс теоретической механики.— М.: Наука, 1970.— 480 с.

24.Девишвили В. М. Методы изучения движения человека.— М.: МГУ, 1979.— 57 с.

25.Гриценко Г. П., Витензон А. С. Исследование биомеханических пара­ метров ходьбы здоровых людей с помощью ЭВМ «Искра 226» // Проте­ зирование и протезостроение.— М.: ЦНИИПП, 1990. Вып. 89. С. 66-77.

26.Optimization and Investigation of the Foot Prosthesis Operating

Characteristics / R. N. Rudakov [et al.] // J. Biomechanics.— Perm.— 1997.— № l.Pp.

27.Багин H. А., Волошин Ю. И., Евтеев В. П. К теории полета лыжника при прыжках с трамплина//Теория и практика физической культу­ ры.— 1997.— № 2.— С. 9-11.

28.Бачинский А. И., Путилов В. В., Суворов Н. П. Справочник по физи­ ке.— М.: Учпедгиз, 1951. 380 с.

29.Методические материалы и конкурсные задачи Всероссийской олим­ пиады «Студент и научн.-техн.прогресс» по теоретической механике 1995 года / Ю. И. Няшин [и др.]; Перм.гос.техн.ун-т.— Пермь, 1996.— 30 с.

30.Попов В. И., Тышкевич В. А., Шумский М. П. Сборник олимпиадных задач по теоретической механике: В 2 ч. / Тамб. ин-т хим. маш.— Там­ бов, 1992.— Ч. П.— 104 с.

31. Оптимизация слаломной траектории с учетом наклона лыжни­ ка /Р. Н. Рудаков [и др.].— Российский журнал биомеханики.— 2007.— № 1.

32.Рудаков Р. Н., Подгаец Р. М. Удар по спортивному мячу.— Российский журнал биомеханики.— Т. 9.— 2007.— № 4.

33.Рудаков Р. Н., Разумов А. А., Лисовский А. Ф. Математическое модели­ рование горнолыжного спуска// 15-я Всероссийская школа-конферен­

ция молодых ученых и студентов «Математическое моделирование

вестественных науках», Пермь, 4-7 октября 2006.

34.Sport biomechanics of movements in resisting media. Proceedings of the 5th World Congress of Biomechanics (ed. D. Liepsh) / R. N. Rudakov [et al.].

35.Nachtigall W. Biomechanik.— Vieweg, 2000.

36.Tozeren A. Human body dynamics.— Springer, 2000.

37.Ozkaya N., Nordin M. Fundamentals of Biomechanics.— Springer, 1999.