Физика, спорт
Скачать 119.36 Kb.
|
| Тихвинский промышленно-технологический техникум имени Е.И.Лебедева Реферат на тему: Физика, спорт, бег и ходьба. Выполнил студент 1 курса ТМ1 Кнаус Александр Г.Тихвин 2010год ФИЗИКА , СПОРТ, БЕГ и ХОДЬБА Может ли человек, связанный по рукам и ногам, бегать быстрее «развязанного»? Может! Не верите? Давайте разберемся.С точки зрения теории колебаний, бег человека в системе координат, связанной с бегуном, есть просто болтание ногами. Таким образом, ноги при беге и ходьбе выступают в роли маятников, соединенных шарнирно с корпусом и колеблющихся в поле тяжести около своего вертикального положения равновесия. Но нога - это не «груз на невесомой нити», не математический маятник, который изучают в школе: масса ноги не сосредоточена в одной точке, а распределена вдоль всей ноги. Нога - это физический маятник.Важнейшая характеристика всякого маятника - частота его свободных колебаний. Для математического маятника, как известно, частота свободных колебаний равна n0 = (g/l)1/2/(2p) и зависит только от длины l маятника. У физического маятника, в отличие от математического, частота свободных колебаний зависит не только от его длины, но и от распределения массы вдоль маятника: чем ближе к оси колебаний сконцентрирована масса маятника, тем выше частота его свободных, колебаний. Однако и для физического маятника частоту тоже можно записать как n0 = (g/L)1/2/(2p), где L - очень важная характеристика маятника, его приведенная длина. Это длина такого математического маятника, который имеет ту же частоту, что и данный физический.Для пропорционально сложенных людей приведенная длина ноги-маятника пропорциональна росту. Поэтому частоты собственных колебаний ног людей разного роста относятся как корни квадратные из отношения (обратного) ростов. Это дает нам очень простой способ определения n0 для человека любого роста: достаточно измерить собственную частоту колебаний собственной ноги. А это несложно: стоя на одной ноге, покачайте, расслабив мышцы, другой и сосчитайте среднее число колебаний ноги за одну секунду. Например, для человека, имеющего рост 175 см, частота оказывается равной 0,8 Гц. Так что для человека ростом h (см) частота равна  n0 = 0,8(175/h)1/2 (Гц) Если ногу согнуть, как это бывает при беге, то приведенная длина ноги уменьшится и частота свободных колебаний возрастет примерно на одну четверть. При ходьбе ноги совершают вынужденные колебания под действием мышц. Известно, что при вынужденных колебаниях их размах зависит не только от величины приложенной силы, но и от частоты ее действия. Частоту, при которой получается наибольший размах, называют резонансной частотой. Резонансная частота nР почти совпадает с частотой n0 свободных колебаний маятника: nP = n0(1-a2)1/2 где a = 1/(2p)ln n = 0,37lg n, а n - число, показывающее, во сколько раз уменьшается амплитуда свободных колебаний за один период. Амплитуда свободных колебаний ноги человека уменьшается за один период приблизительно в два раза, так что в интересующей нас случае n = 2, а a = 0,11 и резонансная частота отличается от собственной всего на 0,6%.Ясно, что с точки зрения экономии сил выгоднее всего ходить, переставляя ноги с резонансной частотой. При таком темпе ходьбы запасаемая при подъеме ноги потенциальная энергия наиболее полным образом переходит в кинетическую в момент прохождения ноги положения равновесия, а через четверть периода (через полшага) кинетическая энергия колебательного движения наиболее полно переходит в потенциальную. Максимальные значения потенциальной и кинетической энергий в этом случае почти одинаковы, и дополнительная нагрузка на мышцы ног, связанная с необходимостью «болтать» ногами при ходьбе, минимальна. Люди действительно ходят, переставляя ноги с резонансной частотой. Отклонения «рабочей» частоты от резонансной весьма невелики. И ясно почему: чем больше это отклонение, тем больше добавочная нагрузка на мышцы, связанная с преодолением инерции ног при слишком быстром темпе ходьбы или с преодолением действующей на ноги силы тяжести при слишком медленном темпе. Ситуация совершенно аналогична знакомой всем практике раскачивания на качелях: сравнительно легко раскачать качели на их резонансной частоте, но если вы будете пытаться раскачать их с частотой, скажем, вдвое большей, то быстро устанете, а качели практически не сдвинутся с места. Теперь понятно, почему человек, если требуется идти быстрее, прежде всего, увеличивает ширину шага, а не темп ходьбы. Скорость движения при этом возрастает, а резонансная частота колебаний ноги изменяется очень мало: из физики известно, что частота почти не зависит от размаха колебаний. Кроме увеличения ширины шага, есть еще один резерв убыстрения хода: сгибание ноги в колене в то время, когда она оторвана от земли. На ширине шага это, конечно, не отражается, а резонансная частота при этом возрастает, и человек, «подстроив» таким образом, резонансную частоту своих ног к более высокому темпу ходьбы, может идти быстрее. Руки человека также приспособлены для ходьбы. Поскольку ноги движутся в двух разных параллельных плоскостях, находящихся на некотором расстоянии друг от друга, движение ног вызывает момент сил, стремящийся повернуть корпус человека вокруг вертикальной оси. Чтобы сохранить прямую походку, люди размахивают руками «навстречу» движению ног. При таком движении рук возникает момент сил, противоположный моменту, обусловленному движением ног, и. компенсирующий его. Заодно уменьшаются смещения по вертикали центра тяжести тела и связанная с этим работа: ведь раздвигание ног при ходьбе смещает центр тяжести вниз, а раздвигание рук - вверх. Конечно, человек может сохранять прямую походку и не размахивая руками, но лишь ценой дополнительного напряжения мышц, а это невыгодно. Размахивать руками при ходьбе легче всего, если резонансные частоты колебаний рук и ног одинаковы. Оказывается, эти частоты действительно совпадают. Более того, если человек «подстраивает» резонансную частоту колебаний ног под ускоренный темп движения, сгибая их, то при этом он соответственно сгибает и руки, поддерживая тем самым равенство резонансных частот колебаний рук и ног. Чем больше скорость ходьбы, тем сильнее приходится сгибать ноги (и руки), чтобы «подстраивать» резонансную частоту под желаемый темп движения. При быстром беге ноги сгибаются под очень острым углом. Но как ни старайтесь, а сложить ногу более чем вдвое и тем самым более чем вдвое уменьшить приведенную длину ноги- вам не удастся (таково уж устройство ног). Значит, нельзя увеличить частоту резонансных колебаний ног более чем в 21/2 раз. (А если учесть, что во время отталкивания от земли нога должна быть прямой, то станет ясно, что «коэффициент увеличения» заведомо меньше 21/2.Итак, «подстройка» резонансной частоты под темп ходьбы или бега возможна лишь в довольно ограниченных пределах. И когда, приходится бежать в быстром темпе, то запасаемой при каждом подъеме ноги потенциальной энергии не хватает для сообщения ноге во время отталкивания от земли нужной кинетической энергии колебательного движения. Восполнять ее недостачу приходится за счет работы мышц. А требуемая кинетическая энергия быстро растет с увеличением скорости: она пропорциональна квадрату скорости движения бегуна. Если же учесть, что при той же ширине шага скорость пропорциональна числу шагов в секунду, то выходит, что энергия, «попусту» затрачиваемая на «болтание» ногами при быстром темпе движения, пропорциональна третьей степени скорости. Это означает, что увеличение скорости бега всего на 10% требует увеличения затраты энергии на одну треть, а двукратное увеличение скорости потребовало бы восьмикратного увеличения затрачиваемой энергии. Что же касается требуемых сил, с которыми мышцы должны приводить в движение нога при быстром беге, то они пропорциональны квадрату скорости. Такая резкая нелинейная зависимость затрат энергии от скорости обуславливает сравнительно небольшой разрыв в скорости бега на короткие дистанции между рекордсменами и просто хорошими легкоатлетами. Вот почему так трудно «выжать» лишние доли секунды на стометровке. Кстати сказать, это также объясняет, почему при беге на длинные дистанции, когда особенно нужно беречь силы, люди предпочитают бежать, делая сравнительно большие прыжки, но переставляя ноги с частотой, близкой к резонансной. И это несмотря на то, что каждое подпрыгивание требует дополнительной затраты энергии. Для нахождения количественной зависимости сил, которые должны развивать мышцы, от частоты перестановки ног нужно, кроме частоты свободных колебаний ноги, знать еще и степень затухания этих колебаний. У человека амплитуда колебаний нога уменьшается примерно в два раза за один период. Сила мышц, движущая; ногу вперед и назад, действует периодически, притом можно приближенно считать, что она меняется по синусоидальному закону. Этих данных достаточно, чтобы, пользуясь известными формулами теории колебаний, рассчитать силу, необходимую для любого темпа ходьбы, что требуемая сила имеет минимум при частоте перестановки ног, равной резонансной, и резко возрастает при отклонении от этого значения. График наглядно показывает, насколько выгоднее ходить, переставляя ноги именно с резонансной частотой, и как катастрофически возрастает требуемая сила с увеличением темпа ходьбы. Например, при увеличении частоты колебаний ног вдвое по сравнению с резонансной частотой, т.е. при двукратном увеличении числа шагов в секунду, силовая нагрузка на мышцы ног при той же ширине шага возрастает в 10 раз! Уже при отклонении темпа ходьбы всего на 10% от резонансной частоты требуемая сила заметно возрастает. Отсюда ясно, почему люди идут, старательно придерживаясь своей резонансной частоты: так легче ходить. (Качественно приведенная зависимость сохраняется и в случае бега. Нужно только учитывать, что резонансная частота при беге из-за сгибания ног в коленях несколько выше, чем при ходьбе.)Чем меньше приведенная длина ног при той же их длине (практически - чем тоньше оказываются ноги книзу и чем резче происходит уменьшение их толщины сверху вниз), тем больше резонансная частота колебаний ног и тем большую скорость при тех же усилиях может развивать их обладатель. С другой стороны, чем легче ноги, тем меньше усилий требуется от мышц ног для движения с той же скоростью (поскольку сила пропорциональна массе ноги). Именно поэтому все быстроногие животные (антилопы, гепарды, скаковые лошади, борзые собаки) имеют сильно утончающиеся книзу и сравнительно легкие ноги. Правда, второе условие имеет меньшее значение по сравнению с первым, поскольку решающую роль в быстроте бега играет резонансная частота колебаний ног. Например, слоны с их массивными, но сравнительно стройными ногами бегают довольно резво, а в Индии выражение «походка, как у слона» - высшая похвала. Да что там слоны и антилопы! Попробуйте-ка догнать обыкновенного поросенка, который задался целью убежать от вас. Форма ноги поросенка (того, что в обиходе называют окороком) характеризуется очень резким уменьшением толщины ноги сверху вниз. Это нужно поросенку для того, чтобы резонансная частота ноги была побольше. Короткие ноги поросенка имеют настолько высокую резонансную частоту, что позволяют ему конкурировать в скорости бега с человеком, ноги которого гораздо длиннее. Итак, решающую роль в быстроте бега и ходьбы играет резонансная частота колебаний ног. Естественно, возникает вопрос: а нельзя ли ее увеличить? Сделать это было бы весьма заманчиво: увеличение резонансной частоты позволило бы людям ходить и бегать быстрее. В принципе, возможны по крайней мере два способа решения проблемы. Первый способ - увеличить силу земного тяготения. Резонансная частота колебаний маятника пропорциональна корню квадратному из ускорения силы тяжести. Поэтому, например, удвоение силы земного тяготения повлекло бы за собой увеличение резонансной частоты колебаний ног в 21/2 раз. Правда, увеличить силу земного тяготения, мягко говоря, не так просто, а главное, пожалуй, и не стоит. Но для космонавтов, которые будут разгуливать по другим планетам, вопрос о зависимости резонансной частоты колебаний ног от ускорения силы тяжести носит далеко не академический характер: ведь на каждой планете свое ускорение силы тяжести. Второй способ решения проблемы несравненно проще. Если запасаемой при каждом подъеме ноги потенциальной энергии не хватает для сообщения ноге требуемой скорости колебательного движения, то, связав ноги эластичным резиновым шнуром или присоединив к ногам каким-либо иным способом упругие элементы, стремящиеся возвратить в положение равновесия отклоненную от этого положения ногу, мы тем самым увеличим потенциальную энергию, накапливаемую (за счет кинетической) при подъеме ноги. В результате уменьшится бесполезная добавочная нагрузка на мышцы, связанная с необходимостью преодолевать инерцию ног при ходьбе и беге. Прикрепленные к ногам упругие элементы будут играть роль резервуаров потенциальной энергии, пополняемых и опустошаемых дважды за каждый период колебаний, и, как во всех колебательных системах, они будут повышать резонансную частоту колебаний. Чем больше упругость этих элементов (например, чем толще связывающий ноги резиновый шнур), тем выше резонансная частота. Значит, чтобы ходить и бегать быстрее, нужно... связать ноги (разумеется, упругой связью).Водной старой немецкой сказке повествуется о человеке, который мог бегать на редкость быстро. Чтобы ходить с нормальной скоростью, он привязывал к ногам гири. Скороход знал, что делал. Ведь тем самым он увеличивал приведенную длину ног и, следовательно, уменьшал их резонансную частоту колебаний, а вместе с ней - и скорость хода. А вот если бы вместо гирь он прикреплял к ногам упругие элементы, то бегал бы еще быстрее. Впрочем, можно подозревать, что секрет быстрого бега скорохода как раз и состоял в том, что его ноги имели гораздо более высокую резонансную частоту колебаний, чем у других людей. Любой здоровый человек тоже может стать скороходом, повысив с помощью упругих элементов резонансную частоту колебаний ног. Представим себе такого человека, принимающего участие в легкоатлетических состязаниях. Перед стартом он связывает себе ноги и, чтобы как-то объяснить свое странное поведение, скромно поясняет судьям, что он-де бегает очень быстро и, чтобы не убегать слишком далеко от своих соперников, имеет обыкновение слегка связывать ноги. Заняв свое место на старте, наш спортсмен с некоторым усилием отводит одну ногу назад, тем самым «заряжая» ее потенциальной энергией. Как только в момент старта он отрывает эту ногу от земли, нога «выстреливается» вперед, как из рогатки. Кстати, при этом сокращается и время разгона. Конечно, бегун со связанными ногами придет к финишу первым. Вот только остановиться ему будет труднее, и он пробежит несколько лишних шагов: ведь связанные эластичной резинкой ноги «бегут сами». Кстати, уж если быть последовательным до конца, то с целью облегчения бега следует прикреплять упругие элементы и к рукам, которые, - как уже было отмечено, играют определенную роль при ходьбе и беге . Это можно сделать, например, привязав руки (повыше кисти) к поясу эластичными резинками. Общий вывод таков: если «связать» человека по рукам и ногам, он будет бегать быстрее. Когда я изложил эти соображения своим товарищам по работе, они посмеялись, но согласились со мной, а самый решительный из них, заявив, что нечего тянуть резину, пошел к экспериментаторам и принес от них резиновый амортизационный канат. Такой канат состоит из множества тонких эластичных резинок. Нарезав эти тонкие резинки на куски длиной по 75 см, мы изготовили из них несколько жгутов-колец толщиной примерно в один сантиметр. Техника изготовления была простой: из каждого куска, связав его концы, сделали кольцо, а из семи-восьми десятков таких колец составили одно толстое кольцо-жгут. Дабы жгут не рассыпался, его пришлось перевязать в нескольких местах (точно так же, как перевязывают прутья при изготовлении веника).Если такое кольцо надеть на обе ноги (рис.2), то в положении, когда ноги составлены вместе, кольцо окажется нерастянутым, но будет плотно обхватывать ноги, не провисая. При ходьбе или беге оно будет периодически растягиваться. Возникающие при этом упругие силы будут стремиться возвратить ноги в положение равновесия, что и приведет к повышению резонансной частоты колебаний ног. Одно такое кольцо, обхватывающее ноги на уровне икр, повышает резонансную частоту в полтора раза. Чтобы кольцо не перетягивало кровеносные сосуды, мы надевали его поверх жестких повязок, сделанных из картона или другого подходящего материала. Наконец, чтобы кольцо не съезжало с повязок (вверх по ноге), мы прикрепляли его к повязкам в двух точках, а другие две точки кольца соединяли бечевками с обувью. Бечевки препятствовали смещению точек кольца, к которым они были прикреплены, вверх по ноге, но не стесняли движения кольца в горизонтальной плоскости, поскольку угол между бечевкой и ногой всегда мал и бечевка остается практически параллельной ноге .Резиновые кольца можно надевать на ноги как выше, так и ниже колен - в любом случае резонансная частота колебаний ног будет возрастать. Но поскольку кинетическая энергия колебательного движения нижней части ноги (считая от колена и ниже) гораздо больше (в пять-шесть раз) кинетической энергии колебаний верхней части ноги; наиболее целесообразно надевать резиновые кольца ниже колен. пробовал ходить в описанной выше амуниции - скорость хода действительно вырастает. Ощущение такое, что кто-то помогает переставлять ноги, а когда нужно остановиться, ноги непроизвольно идут «сами» еще несколько лишних шагов. Надетые на ноги резиновые кольца стремятся возвратить ноги в положение равновесия и при ходьбе или беге давят попеременно то на переднюю, то на заднюю сторону каждой ноги, осуществляя тем самым своего рода массаж мышц ног. Же при длительной ходьбе или беге этот «массаж» может оказаться нежелательным. Поэтому при ходьбе и беге на большие расстояния представляется предпочтительным такой способ прикрепления упругих элементов к ногам, когда упругие элементы вообще не касаются мышц, около которых много кровеносных сосудов. Пожалуй, самый простой способ правильного крепления - привязать концы эластичного резинового шнура к ремешкам, плотно обхватывающим ступни ног. Чтобы шнур не болтался под нотами, когда он оказывается в нерастянутом состоянии, к его середине прикрепляется тонкий резиновый шнурок, который в слегка растянутом состоянии привязывается другим своим концом к поясу. При этом середина шнура оказывается в приподнятом положении, и шнур не мешает движению. Заметим, однако, что при большом натяжении упругий элемент будет стремиться поворачивать ступни ног вокруг вертикальной оси, и возникающие при этом силы придется компенсировать напряжением мышц ног. Иначе характер движения будет напоминать бег полицейских псов из Страны , которые, как свидетельствует А.Н.Толстой в «Золотом ключике», бегали «особым хитрым галопом, занося задние ноги вбок».  |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Акция «Россия – чемпион»: Выставка-викторина «Готовимся к Олимпиаде в Сочи» Интеллектуальная эстафета «Спорт, спорт, спорт» 6+ | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Ы программы традиционны: механика, молекулярная физика и термодинамика, электродинамика, квантовая физика (атомная физика и физика... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «Детско-юношеский спорт и спорт высших достижений» Кафедра теории, методики физической культуры и спортивно-оздоровительной рекреации |  | Молодежная политика и спорт Физическая культура и спорт Закаменская и Санагинская, 26 общеобразовательных учреждений и 28 детских садов. Организацией и вопросами физической культуры и спорта... |
| Информационная справка СиФВ, 3 курса, 5 группы обучающихся по специальности 032101. 65 «Физическая культура и спорт», специализации «Горнолыжный спорт»... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Знать слова, обозначающие спорт, уметь составлять с ними предложения, вести диалог на тему «Спорт» |
| Пояснительная записка рабочая программа дисциплины «Иностранный язык... «Физика», магистерские программы «Техническая физика в нефтегазовых технологиях», «Физика наноструктур и наносистем» | | Конкурс рисунков на тему «Спорт в моей жизни» План мероприятий школьного этапа Всероссийской акции «Спорт – альтернатива пагубным привычкам» в мбоу «Тюгеевская средняя общеобразовательная... |
| Программа «Живая физика», Институт новых технологий cd «Репетитор» «Открытая физика. Версия 2,5», «Физикон» сd «Физика. Библиотека наглядных пособий 7-11», «Физикон» | | 032101. 65 «Физическая культура и спорт» «Физическая культура и спорт» специализации «Теория и методика волейбола» на 2012-2013 учебный год |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... «Физика 7-9 классы», авторами которой являются А. В. Перышкин и Е. М. Гутник; обучение рассчитано на работу по учебникам: «Физика... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... «Физика 7-9 классы», авторами которой являются А. В. Перышкин и Е. М. Гутник; обучение рассчитано на работу по учебникам: «Физика... |
| Математическая энциклопедия ставок на спорт Существует масса учебной литературы по этому вопросу. Но было бы интересно осветить эту тему именно с позиций игрока, делающего ставки... | | Программа по специальности 032101 «физическая культура и спорт» квалификация... Специальность 032101 «Физическая культура и спорт» утверждена приказом Министерства образования Российской федерации от 02. 03. 2000... |
| Физика Магистерская программа 011200 07. 68 – "Физика наносистем и наноэлектроника" Области профессиональной деятельности: являются все виды наблюдающихся в природе физических явлений, процессов и структур, в том... | | Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями фгос впо... Физика. Магистерская программа «Техническая физика в нефтегазовых технологиях», «Физика наноструктур и наносистем» |
