Биофизика тканей и скелета человека 3 Биофизика дыхания 15
жүктеу/скачать 2.95 Mb.
|
| W=m*v²/2=0,7*12²/2=50,4Дж.
Эта энергия много больше той, которая необходима для разрыва бруска. Таким образом, рука каратеиста обладает достаточным запасом энергии, чтобы разрушить брусок из бетона. То, что рука каратеиста не ломается при ударе о бетонный брусок, частично объясняется гораздо большей прочностью кости по сравнению с бетоном. Высокоскоростная киносъемка кулака каратеиста в момент удара показала, что его замедление при соприкосновении с бруском составляет примерно-4000 м/с2 за 0,5 с. Рассчитаем силу, действующую на кулак, во время этого замедления. Силу можно определить по второму закону Ньютона: F=ma Ускорение найдем по формуле: a=(v-v0) / t Получаем: а= (0-4000 м/с) 0,5 с=8000 м/с² F=0,7кг*8000 м/с²=5600Н Если весь кулак в момент удара заменить костью длиной 6 см и диаметром 2 см, фиксированной в двух крайних точках, а удар о брусок моделировать силой, действующей на ее середину, то в таких условиях кость может выдержать 25000 Н. Это приблизительно в 4 раза больше, чем сила, действующая на кулак каратеиста при разламывании бетонных брусков. Однако возможности у руки каратеиста противостоять таким ударам еще больше, так как в отличие от бетонного бруска она не поддерживается по краям и удар не приходится точно в середину. Кроме того, между костью и бруском бетона всегда находится эластичная ткань, амортизирующая удар. Многие из тех движений, которые мы совершаем, бывают периодическими. К ним относятся ходьба, бег, катание на лыжах, коньках, приседания и т. д. Во время этих движений различные части тела движутся неравномерно. Например, при беге или ходьбе каждая из ног попеременно уменьшает свою скорость до нуля, соприкасаясь с землей и тормозя при этом перемещение тела (рис. 5, а). Рис. 5. Направление силы (обозначено стрелкой), действующей со стороны бегуна на землю, в различные фазы бега: а- фаза торможения, б- равномерное движение; в- фаза ускорения В последующем та же нога, отталкиваясь от земли, ускоряет это перемещение (рис. 5, в). Для того чтобы заставить автомобиль двигаться подобным образом, нам нужно было бы с частотой около 1Гц нажимать то на акселератор, то на тормоз. Естественно, что расход горючего при таком импульсном характере движения резко возрастает, так как часть кинетической энергии автомобиля при торможении переходит в тепло. Неужели бег человека и животных так же неэкономичен, как движение этого гипотетического автомобиля? Конечно, нет. Были проведены эксперименты, в которых испытуемый бежал по специальной тензометрической платформе, позволяющей регистрировать все составляющие сил, действующих на него. Из этих данных и одновременной киносъемки бегa можно было оценить энергетические затраты бегуна, предполагая, что потери кинетической энергии, происходящие в фазе торможения, полностью переходят в тепло. С другой стороны, истинные энергетические затраты можно было вычислить, измеряя скорость потребления бегуном кислорода, так как известно, сколько энергии выделяется в организме при потреблении 1 г кислорода. Когда получили обе эти оценки, оказалось, что истинные энергетические затраты во время бега в 2-3 раза меньше тех, которые были вычислены по результатам тензометрических измерений. Таким образом, предположение, что вся кинетическая энергия в фазе торможения полностью переходит в тепло, несправедливо. Часть этой энергии в течение отрезка времени а- б (см.рис.5) хранится в эластичных тканях ног в виде потенциальной энергии их деформации и переходит опять в кинетическую в фазе в, подобно тому, как это происходит при отскакивании резинового мяча от стены. Тканями, которые играют роль своеобразных пружин и могут запасать механическую энергию, являются мышцы конечностей и сухожилия, соединяющие их с костями. Сухожилия и большей степени, чем мышцы, годятся для хранения потенциальной энергии, так как силы внутреннего трения в них очень малы, и около 90% этой энергии может быть обратно преобразовано в кинетическую энергию. Кроме того, сухожилия обладают большей жесткостью, чем мышцы, и могут быть растянуты на 6% своей исходной длины без заметного повреждения, в то время как мышцы — только на 3%. Все эти свойства сухожилий делают их основными запасниками механической энергии во время бега и других циклических движений. Каждый может сам легко убедиться, что механическая энергия действительно запасается в наших ногах, как в пружинах. Для этого попробуйте приседать, сильно сгибая колени. Вы сразу заметите, что подниматься гораздо легче, если выпрямлять ноги сразу, чем если задерживаться на секунду и более в положении с согнутыми ногами. Это можно объяснить тем, что при сгибании колен часть мышц напряжена, контролируя движение вниз, и их сухожилия растянуты. Если перед подъемом сухожилиям не дать возможность укоротиться, запасенная в них потенциальная энергия перейдет в кинетическую. Если же позволить им укоротиться еще до подъема, то эта энергия перейдет в тепло. Такие же опыты были поставлены на испытуемых, у которых измеряли потребление кислорода. Их заставляли в одном случае приседать и распрямляться сразу после полного сгибания колен, а в другом - после полуторасекундной задержки. Результаты подтвердили субъективное впечатление: в первом случае испытуемый потреблял кислород на 22% меньше. В скелете человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Например, кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры – первый позвонок), фаланги пальцев. Рычажные механизмы скелета обычно рассчитаны на выигрыш в скорости при потере в силе. Рассмотрим условие равновесия рычага на примере черепа (рис. 6а.). Ось вращения рычага О проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы R, позади – сила F тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости. Рис. 6. Другим примером работы рычага является действие свода стопы на полупальцы (рис.6б). Опорой О рычага, через которую проходит ось вращении, служат головки плюсневых костей. жүктеу/скачать 2.95 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|