FAKULTA HUMANITNÝCH A PRÍRODNÝCH VIED PREŠOVSKEJ UNIVERZITY
Katedra fyziky
ÚČINNOSŤ MECHANICKÝCH SÍL NA ORGANIZMUS
Seminárna práca
Vypracovala: Zuzana Girgošková
Prešov 2003
OBSAH
Úvod
Dynamika pohybu športovca
Druhy pôsobiacich síl
Svalová sila
Sila tiaže
Sila reakcie opory
Sila zotrvačnosti
Sila trenia
Dostredivá a odstredivá sila
Sila odporu prostredia
ÚVOD
Všetky pohyby, ktoré športovec vykonáva, sú pohyby cieľavedomé, vykonávané za určitým cieľom.
V biomechanike charakterizujeme pohyby športovca ako zmenu miesta jeho polohy v priestore a čase. Ide teda o najbežnejšiu charakteristiku pohybu, tzv. mechanický pohyb.
DYNAMIKA POHYBU ŠPORTOVCA
Dynamiku pohybu športovca predstavuje tá časť biomechaniky,ktorá sa zaoberá pohybmi športovca vo vzťahu k pôsobiacim silám.
Sily a ich momenty,ktoré na športovca pôsobia a ktoré vyvolávajú zmenu jeho pohybového stavu, nazývame aj dynamickými charakteristikami pohybu. Tieto charakteristiky konkretizujú štruktúru pohybu športovca v jej dynamickom prejave a predstavujú tzv. mechanizmus pohybu.
SILA A POHYBOVÝ STAV ŠPORTOVCA
Ak športovec chce vykonať nejaký pohyb, ak chce prejsť z pokoja do pohybu, zmeniť smer alebo rýchlosť pohybu, t.j. zmeniť svoj pohybový stav, musí naň pôsobiť nejaká sila, ktorá tento jeho pohybový stav zmení. Sila je teda príčinou každej zmeny pohybového stavu športovca. O pohybe je známe, že je vlastnosťou hmoty a že na to, aby sa hmota pohybovala, nieje potrebná nejaká sila. Vyplýva to aj z prvého zákona, ktorí hovorí: „Teleso zotrváva v stave pokoja, alebo v pohybe rovnomernom priamočiarom dotiaľ, dokiaľ nie je nutné vonkajšími silami zmeniť svoj pohybový stav.“ Pohyb je teda vlastnosťou hmoty, ktorá vo svojom pohybom stave zotrváva, ak na ňu nepôsobí nijaká sila.
Uvedený zákon plne platí aj pre pohyb športovca.
DRUHY POSOBIACICH SÍL A ICH VPLYV NA POHYB ŠPORTOVCA
Sily, ktoré na športovca pôsobia, môžeme zadeliť do dvoch veľkých skupín:
· vnútorné sily
· vonkajšie sily
Vnútorné sily predstavujú tie sily, ktoré vznikajú vo vnútri tela športovca a sú podmieňované činnosťou rôznych orgánov jeho tela. Podľa toho, v akom vzťahu sú vnútorné sily k pohybom športovca, rozoznávame:
- aktívne vnútorné sily
- pasívne vnútorné sily
Aktívne vnútorné sily predstavujú svalové sily. Tieto sily sú hlavnými hybnými silami, ktoré za spoluúčasti vonkajších síl udržujú alebo menia jeho pohybový stav.
Pasívne vnútorné sily pohyb športovca síce nevyvolávajú, avšak zohrávajú dôležitú úlohu pri pohyboch športovca. Tieto sily sú reprezentované pružnosťou a pevnosťou tkanív, vnútorných trením a silami zotrvačnosti vnútorných orgánov.
Vonkajšie sily predstavujú tieto sily, ktoré pôsobia na športovca zvonka. Existencia týchto síl nie je závislá od športovca, avšak jeho pohybový stav je od nich závislý. Bez vonkajších síl by športovec nemohol vykonávať nijaké pohyby.
Podľa toho, aký je vzťah medzi pohybom športovca a vonkajšími silami rozoznávame:
· aktívne vonkajšie sily
· pasívne vonkajšie sily
Za aktívne vonkajšie sily považujeme sily vtedy, keď smer ich pôsobenia je zhodný so smerom pohybu športovca, t.j. keď pohyb športovca vyvolávajú, alebo pohybu napomáhajú.
Za pasívne vonkajšie sily považujeme sily vtedy, keď smer ich pôsobenia nieje zhodný zo smerom pohybu športovca, ale naopak, pôsobia proti. Potom tieto sily pohyby športovca brzdia.
Vydeliť vonkajšie sily na čisto aktívne a pasívne nie je možné, pretože tá istá sila sa prejavuje raz ako sila aktívna, inokedy ako pasívna. Príkladom je napríklad skok do výšky, kde pri pohybe skokana v smere nahor je sila tiaže športovca silou pasívnou, pri pohybe v smere nadol je táto sila silou aktívnou.
Medzi vonkajšie sily, ktoré na športovca pôsobia zaraďujeme:
- silu tiaže
- silu reakcie opory
- silu zotrvačnosti
- silu trenia
- silu dostredivú a odstredivú
- silu odporu prostredia
SVALOVÁ SILA
CHARAKTERISTIKA SVALOVEJ SILY, JEJ VEĽKOSŤ A ÚČINKY
Pod svalovou silou rozumieme silu, ktorá je potrebná k natiahnutiu maximálne kontrahovaného svalu do jeho pôvodnej dĺžky. V praxi je táto sila určovaná hmotnosťou závažia, ktoré sú svaly schopné ešte udržať.
K svalovej kontrakcii dochádza na základe nerovného podráždenia svalu. Vzruch, vyvolávajúci svalovú kontrakciu, prichádza z centrálneho nervstva po motorických nervových vláknach k vláknam svalovým. Ak je sval dostatočne podráždený, nastávajú v ňom prudké okysličovanie a liečebné deje, pri ktorých vznikajú konečné látky pôsobiace na sval tak, že sa skracuje.
Veľkosť svalovej sily je závislá od mnohých činiteľov, predovšetkým od množstva a hrúbky svalových vlákien, od veľkosti skrátenia svalu, od rýchlosti skrátenia, činnosti centrálneho nervového systému a od objektívnych príčin.
Jednotkou svalovej sily je jeden newton ( N ). Newton je sila, ktorá udeľuje hmote 1 kg zrýchlenie jeden meter za sekundu na druhú.
Svalová sila sa tak, ako každá iná sila, musí mechanicky prejavovať. Preto si ju môžeme vyjadriť matematicky rovnicou v tvare:
F = m.a
Avšak toto vyjadrenie je pre svalovú silu nie vždy postačujúce, pretože uvedená rovnica platí len za predpokladu, že svalová sila je stála, konštantná. Vieme však, že svalové sily sú vždy premenlivé a že v priebehu svojej kontrakcie sa veľkosť svalovej sily mení. Preto svalovú silu, jej časové pôsobenie, musíme vyjadriť v integrovanom tvare, takže platí:
F. dt
kde: F je svalová sila
dt – diferenciál času
Z toho vyplýva, že svalová sila sa v časovom intervale t0 – t mení a nadobúda rôzne hodnoty.
Ak priebeh svalovej sily je taký, že sila prebieha v čo najkratšom čase, takže je skoncentrovaná do veľmi krátkeho časového intervalu, potom takejto sile hovoríme výbušná sila.
Koncentrácia maximálneho svalového úsilia do čo najkratšieho časového intervalu má veľký význam najmä pri tých športoch, pri ktorých sa má dosiahnuť veľká efektívnosť pohybov. Takéto pohyby sú prudké, razantné.
MERANIE SVALOVEJ SILY
Veľkosť svalovej sily zisťujeme meraním. Svalovú silu meriame pomocou dynamometrov. V telovýchovnej a športovej praxi najčastejšie používame mechanické dynamometre, ktoré sú založené na princípe silovej deformácie nejakej pružiny alebo pera, alebo dynamometre elektrické, založené na princípe transformácie mechanickej deformácie snímačov na elektrické veličiny. Veľkosť sily si potom odčítame na indikačnom zariadení.
Meranie svalovej sily si vyžaduje presnú metodiku merania. Nedodržanie tejto metodiky má za následok nepresnosť v meraní, t.j. odklon nameraných hodnôt sily od jej skutočnej veľkosti.
SILA TIAŽE
SILA TIAŽE, JEJ VEĽKOSŤ A SMER
Sila tiaže, ináč nazývaná aj tiaž, predstavuje silu, ktorou je športovec alebo nejaké teleso, náčinie a podobne priťahované k zemi. Sila tiaže je sila stála, ktorú musí športovec vždy prekonávať vlastnými silami, aby si udržal alebo zmenil svoj pohybový stav. Preto sila tiaže zohráva v pohybovej činnosti športovca dôležitú úlohu a právom ju považujeme za jednu z najdôležitejších vonkajších síl.
Silu tiaže označujeme písmenom G a jej jednotkou je jeden newton ( N ), čo predstavuje silu, ktorá udeľuje hmote 1 kg gravitačné zrýchlenie g.
( g = 9,81 m.s-2 )
Veľkosť sily tiaže je závislá od veľkosti hmotnosti a tiažového zrýchlenia a môžeme ju vyjadriť rovnicou v tvare:
G = m.g
ÚČINKY SILY TIAŽE
Sila tieže sa môže prejavovať dvojakými účinkami:
· statické účinky
· kinetické účinky
Statickými účinkami sa sila tiaže prejavuje vtedy, keď športovec je v styku zo zemou. Sila tiaže sa tu prejavuje alebo tlakom na podložku, alebo ťahom na záves. S týmito účinkami sa stretávame pri rovnovážnych polohách športovca, ako napríklad pri stoji, sede, ľahu, vise a podobne.
O statických účinkoch sily tiaže však nehovoríme len vo vzťahu k telu športovca ako celku, ale aj vo vzťahu k jeho jednotlivým častiam tela. Tak napríklad športovec vzpaží, potom paža tlačí do ramenového kĺbu, má teda tlakové účinky, ak je v pripažení, potom vyvoláva ťah a má ťahové účinky.
Kinetickými účinkami sa sila tiaže prejavuje vtedy, keď sa športovec nachádza voľne v priestore, t.j. je vo fáze letu, alebo je na naklonenej rovine. Takýmto pohybom vyvolaným silou tiaže hovoríme postupné pohyby. Pod vplyvom sily tiaže môžu nastať aj rotačné pohyby, ak sila tiaže pri visoch športovca nepôsobí do osi otáčania, ale mimo nej.
Ako príklad pre postupné pohyby vyvolané silou tiaže si uvedieme pohyb lyžiara na svahu.
SILA REAKCIE OPORY
SILA REAKCIE OPORY, JEJ VEĽKOSŤ A SMER
Sila reakcie opory vyplýva z tretieho pohybového zákona, ktorý hovorí: „Ak na seba pôsobia dve telesá silami, je sila, ktorou pôsobí prvé teleso na druhé (akcia) rovnako veľká, ale opačného smeru ako sila, ktorou pôsobí druhé teleso na teleso prvé (reakcia).“ To znamená, že každá akcia vyvoláva reakciu. Zákon akcie a reakcie plne platí aj pre športovca. Ako napríklad športovec stojí na zemi, alebo sa od zeme odráža, pôsobí na zem určitou silou, avšak aj zem pôsobí na športovca rovnako veľkou silou, ale opačného smeru.
Veľkosť sily reakcie určuje sila akcie, ktorá závisí nielen od sily tiaže športovca, ale aj od veľkosti pôsobiacich svalových síl, sily zotrvačnosti a podobne.
Smer sily reakcie môže byť rôzny a je závislý od smeru sily akcie. Je však vždy opačne orientovaný. Pri kolmom smere sily reakcie vzhľadom na podložku sa vektor sily reakcie nerozkladá. Pri šikmom smere sa sila reakcie rozkladá na dve zložky, z ktorých jedna je rovnobežná so smerom podložky, druhá je na ňu kolmá.
Silu reakcie opory si označujeme písmenom R a je jednotkou je jeden newton ( N ).
PREJAV SILY REAKCIE OPORY A JEJ ÚČINKY
Sila reakcie opory sa môže prejavovať dvoma účinkami:
· statickými účinkami
· kinetickými účinkami
Pri statických účinkoch pohyb športovca nenastáva. Sila reakcie opory sa tu rovná sile tiaže športovca. Ak rozoznávame veľkosť týchto síl vidíme, že obidve sily sú rovnako veľké, sú opačného smeru, takže platí:
R = G alebo R – G = 0
Keďže pri rovnováhe síl pohyb nenastáva, športovec zotrváva v rovnovážnej pokojovej polohe. Takejto sile reakcie opory hovoríme aj statická reakcia.
Pri kinetických účinkoch vyvoláva sila reakcie opory pohyb športovca, pretože jej veľkosť dosahuje väčšie alebo menšie hodnoty ako je tiaž športovca. Veľkosť sily reakcie sa tu mení v závislosti od sily reakcie.
Tak napríklad ak športovec ide zo stoja do podrepu, zmenší sa tlak jeho tela na podložku, a to o veľkosť tej sily, ktorá mu udelila zrýchlenie v smere nadol.
Ak je táto sila dostatočne veľká, môže sa športovec odraziť od zeme a prejsť do fázy letu. Tejto sile, ktorá sa prejavuje pohybom športovca, hovoríme kinetická reakcia.
SILA ZOTRVAČNOSTI
SILA ZOTRVAČNOSTI,JEJ VZNIK A VEĽKOSŤ
Podľa druhého pohybového zákona je sila,vyvolávajúca zrýchlenie pohybu,rovná veľkosti hmotnosti telesa alebo športovca a zrýchleniu jeho pohybu,takže platí F= m . a . Tejto sile odporuje rovnako veľká sila v opačnom smere,ktorú nazývame silou zotrvačnosti. Túto silu označujeme Fz a je vyjadrená rovnicou:
Fz = m . a
Sila zotrvačnosti vzniká ako reakcia na silu zrýchľujúcu alebo spomaľujúcu,je rovnako veľká,je však opačne orientovaná.
SILA ZOTRVAČNOSTI AKO PRIČINA ZMENY TLAKU NA PODLOŽKU
Pri prechode športovca zo stoja do drepu prebiehajú pohyby v kĺboch dolných končatín, a to v kĺbe stehnovom, kolenovom a členkovom. Nastáva pohyb tela pod vplyvom sily tiaže a poloha trupu sa znižuje. Zväčšovanie alebo zmenšovanie tejto svalovej aktivity má za následok zmenšovanie alebo zväčšovanie sily, ktorá športovcovi zabezpečuje jeho pohyb v smere nadol. Ak porovnáme silu reakcie opory pri stoji so silou reakcie pri prechode do drepu, vidíme, že jej veľkosť sa zmenšuje v každom okamihu, a to v závislosti od zrýchlenia pohybu.
Pre vzťah medzi silou reakcie opory, silou tiaže a silou zotrvačnosti platí:
R = G – Fz
Pri prechode športovca z drepu do stoja, nastáva vystieranie dolných končatín. Svalové sily dolných končatín teda predstavujú sily zrýchľujúce. Sila reakcie opory sa pri tomto pohybe zväčšuje, pretože sa zväčšuje aj tlak na podložku v dôsledku vzniku sily zotrvačnosti. Sila zotrvačnosti, ktorá má opačný smer ako sila zrýchľujúca, sa tu prejavuje ako sila reakčná, ktorú musí športovec prekonať svojimi vlastnými silami. Platí vzťah:
R = G + Fz
SILA TRENIA
SILA TRENIA, DRUHY TRENIA A ICH ZÁVISLOSŤ
Trenie je jednou zo základných podmienok pohybu športovca. Keby nebolo trenie, nebol by možný jeho pohyb, nemohol by chodiť, behať, skákať ... Práve trenie vznikajúce medzi dotykovými plochami nôh a zeme umožňuje vykonať pohyb.
Trenie môžeme považovať za silu, ktorej účinok a smer je opačný ako smer pohybu. Veľkosť trenia môžeme merať silou, ktorej je treba, aby sa pohybujúce teleso pohybovalo ďalej pohybom rovnomerným. Jednotkou sily trenia je jeden newton ( N )
Podľa toho ako sa telesá pohybujú navzájom voči sebe vo vzťahu k ich povrchu, rozoznávame trenie kĺzavé Tk a trenie valivé Tv.
TRENIE KĹZAVÉ: je odpor dvoch telies na dotykových plochách proti vzájomnému pohybu. Trenie je tu sila, ktorá pôsobí vždy proti zmyslu pohybu.
TRENIE VALIVÉ: sa prejavuje podobne ako trenie kĺzavé odporom proti pohybu. S týmto trením sa stretávame napr.: pri jazde na bicykli, jazde na motorových vozidlách... Kolesá sa pri tomto pohybe nekĺžu, ale valia po opornej ploche.
DOSTREDIVÁ A ODSTREDIVÁ SILA
DOSTREDIVÁ A ODSTREDIVÁ SILA, JEJ VEĽKOSŤ A ÚČINKY
Dostredivá a odstredivá sila vzniká len pri rotačných pohyboch športovca. Pri rotačných pohyboch športovca dostredivá sila spôsobuje zakrivenie dráhy jeho pohybu a smeruje vždy do stredu jeho pohybu. Podľa zákona akcie a reakcie, ak vznikne jedna sila, musí vzniknúť aj druhá, rovnako veľká, ale opačného smeru. Pri vzniku dostredivej sily je toto druhou silou tzv. odstredivá sila, ktorá je rovnako veľká, ale opačného smeru. Obidve sily vznikajú a zanikajú súčasne, rovnako a zväčšujú alebo zmenšujú.
Tak napríklad ak športovec robí veľtoč na hrazde, dostredivá sila smeruje do stredu kruhového pohybu a spôsobuje zakrivenie dráhy jeho pohybu. Odstredivá sila smeruje od stredu pohybu a napína záves, t. j. žrď hrazdy. Kedy sa športovec od hrazdy odtrhol, zanikli by súčasne obidve sily a športovec by sa pohyboval zotrvačnosťou v smere tangenty kruhovej dráhy.
Pri odvodzovaní dostredivej a odstredivej sily budeme vychádzať z predpokladu, že športovec sa pohybuje po kružnici rovnomerným pohybom. Dostredivú silu potom dostaneme zo základnej dynamickej rovnice F = m.a, keď za zrýchlenie pohybu dosadíme dostredivé zrýchlenie a = v2 /r.
Dostredivá sila, ktorú v biomechanike označujeme písmenom F, bude mať tvar:
Fd je dostredivá sila
M – hmotnosť športovca
V – obvodová rýchlosť kruhového pohybu
R – polomer krivosti dráhy
SILA ODPORU PROSTREDIA
ODPOR PROSTREDIA AKO SILA
Ako sa športovec pohybuje v určitom prostredí, napríklad vo vode, pôsobí na neho sila, ktorá mu v jeho pohybe zabraňuje. Športovec cíti, že na neho narážajú čiastočky vody, ktoré mu kladú odpor a bránia mu v pohybe.
Odpor, ktorý kladie prostredie športovcovi pri jeho pohybe nazývame silou odporu prostredia. Odpor prostredia je teda silou a smeruje vždy proti smeru pohybu športovca. Preto ju považujeme za reakčnú silu. V biomechanike si silu odporu prostredia označujeme písmenom O a jej jednotkou je jeden newton ( N ).
VEĽKOSŤ ODPORU PROSTREDIA A JEJ ZÁVISLOSŤ
Veľkosť odporu prostredia nie je veličina stála, nemenná, ale sa mení. Táto veľkosť je závislá od mnohých činiteľov, predovšetkým od koeficientu odporu C, ktorého veľkosť závisí od tvaru telesa alebo športovca a hladkosti jeho povrchu, ďalej od priečneho rezu telesa S, od hustoty prostredia q (voda je tisíckrát hustejšia ako vzduch), od rýchlosti pohybu v a od tiažového zrýchlenia g. Silu odporu prostredia si môžeme vyjadriť matematicky vzťahom:
Z rovnice vyplýva, že odpor rastie druhou mocninou rýchlosti. V praxi to znamená, že ak sa rýchlosť pohybu zvýši dvojnásobne, odpor narastie štvornásobne. Pri desaťnásobnom zvýšení rýchlosti narastie odpor až stonásobne. Preto pri zväčšovaní rýchlosti pohybu je treba na prekonanie vzrastajúceho odporu aj väčšiu silu.
Okrem rýchlosti má na odpor prostredia veľký vplyv aj koeficient odporu a priečny rez telesa.
ZÁVER
V tejto seminárnej práci sme charakterizovali všetky druhy síl, ktoré pôsobia pri pohybe na organizmus, v našom prípade na športovca.
Oboznámili sme sa s ich účinkami na ľudský organizmus o ich veľkosti, smeru a pôsobeniu. Vďaka tejto práci som si obohatila svoje poznatky.
POUŽITÁ LITERATÚRA:
Koniar Miloslav, CSc. Doc. Phdr.: BIOMECHANIKA. Učebné texty pre školenie trénerov I. triedy,Šport 1986
Internet