Кафедра физики математики и информатики Тема Основные понятия

Кафедра физики, математики и информатики Тема: «Основные понятия биомеханики и эргономики» Авторы: 2013

Кафедра физики, математики и информатики Связь биомеханики с другими дисциплинами • Биомеханика зародилась в связи с развитием физических и биологических наук • В настоящее время успехи этих наук так или иначе сказываются на развитии биомеханики. • В свою очередь, физические и биологические науки могут обогащаться данными биомеханики. • Изучение биомеханических систем открывает новые пути для понимания анатомического строения и физиологических функций двигательного аппарата

Кафедра физики, математики и информатики • В биомеханических исследованиях могут применяться методы смежных наук; в то же время специальные исследования проблем этих наук могут проводиться с применением биомеханических методов. Физические науки Двусторонняя связь Биологические науки Биомеханиче ские исследования

Кафедра физики, математики и информатики Теория физ. воспитания Выдвигаются проблемы, требующие исследований с применением БМ методов Клиническая медицина Биомеханические исследования Космическая и авиационная биология Используются теоретические выводы и практические результаты БМ исследований Физиология труда

Кафедра физики, математики и информатики Кинематика • Кинематика раздел механики, в котором изучается механическое движение тел без учета причин, вызывающих движение. • Простейшим механическим движением является движение материальной точки тела, размеры и форму которого можно не учитывать при описании его движения. • Движение материальной точки характеризуют траекторией, длиной пути, перемещением, скоростью и ускорением.

Кафедра физики, математики и информатики Кинематика поступательного и вращательного движения • Поступательное движение – движение твердого тела, при котором прямая, соединяющая две любые точки тела, перемещается, оставаясь параллельной своему начальному направлению. • При поступательном движении все точки тела описывают одинаковые траектории и имеют в каждый момент времени одинаковые по численной величине и направлению скорости и ускорения

Кафедра физики, математики и информатики Кинематика поступательного и вращательного движения • Вращательное движение тела — движение, при котором какие либо две его точки остаются всё время неподвижными. Прямая, проходящая через эти две точки – ось вращения. Траектория движения любой точки будет окружность.

Кафедра физики, математики и информатики Кинематические характеристики движения • Темп движений – количество движений, повторяющихся в единицу времени. Темп – величина обратная длительности движений. • N=1/Δt • Ритм движений – временная мера соотношения длительности фаз движения

Кафедра физики, математики и информатики Кинематические характеристики движения • Траекторией называют линию в пространстве, описываемую точкой при своем движении. • Перемещением тела (S=Δr) называют направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела с его последующим положением. Перемещение есть векторная величина. • Пройденный путь (L) равен длине дуги траектории, пройденной телом за некоторое время t. Путь – скалярная величина.

Кафедра физики, математики и информатики Кинематические характеристики движения • • Средняя (путевая) скорость движения характеризует быстроту изменения пути во времени. Она численно равна отношению пути, пройденного телом (DL), к промежутку времени, за которое этот путь пройден. Средняя скорость по перемещению – вектор, равный отношению перемещения ко времени, за которое оно совершено: • Мгновенная скорость – предел, к которому стремится средняя скорость за бесконечно малый промежуток времени Δt: • Мгновенная скорость тела в любой точке криволинейной траектории направлена по касательной к траектории в этой точке.

Кафедра физики, математики и информатики Кинематические характеристики движения • При движении тела по криволинейной траектории его скорость V изменяется по модулю и направлению. • Изменение вектора скорости V за некоторый малый промежуток времени Δt можно задать с помощью вектора ΔV. • Вектор изменения скорости за малое время Δt можно разложить на две составляющие: ΔVȶ направленную вдоль вектора (касательная составляющая), и ΔVn направленную перпендикулярно вектору (нормальная составляющая).

Кафедра физики, математики и информатики Кинематические характеристики движения • Мгновенным ускорением (или просто ускорением) тела называют предел отношения малого изменения скорости к малому промежутку времени Δt, в течение которого происходило изменение скорости: • Направление вектора ускорения в случае криволинейного движения не совпадает с направлением вектора скорости

Кафедра физики, математики и информатики Кинематические характеристики движения • Составляющие вектора ускорения называют касательным (тангенциальным) и нормальным ускорениями • Касательное ускорение указывает, насколько быстро изменяется скорость тела по модулю. • Нормальное ускорение указывает, насколько быстро скорость тела изменяется по направлению.

Кафедра физики, математики и информатики Кинематические характеристики движения • Криволинейное движение можно представить как движение по дугам окружностей. • Нормальное ускорение зависит от модуля скорости V и от радиуса R окружности, по дуге которой тело движется в данный момент: • модуль полного ускорения равен

Кафедра физики, математики и информатики Кинематические характеристики движения • Вращение твердого тела, как целого характеризуется углом φ, измеряющегося в угловых градусах или радианах, угловой скоростью ускорением (измеряется в рад/с) и угловым (единица измерения — рад/с²). • При равномерном вращении (T оборотов в секунду): • Частота вращения — число оборотов тела в единицу времени. • Период вращения — время одного полного оборота. Период вращения T и его частота связаны соотношением

Кафедра физики, математики и информатики Кинематические характеристики движения • Линейная скорость точки, находящейся на расстоянии R от оси вращения • Угловая скорость вращения тела

Кафедра физики, математики и информатики Взаимосвязь кинематических параметров для поступательного и вращательного движений

Кафедра физики, математики и информатики Динамические характеристики движения • Две группы: • Характеристики, отражающие меру взаимодействия тел и служащие для объяснения взаимодействия тел. Они характеризуют процесс взаимодействия. • Характеристики, отражающие изменение состояния тел в результате взаимодействия и служащие для объяснения изменения состояния тел. Они характеризуют результат взаимодействия тел.

Кафедра физики, математики и информатики Характеристики, отражающие меру взаимодействия тел • Сила F, момент силы M(F) меры механического взаимодействия тел. В результате действия силы изменяется скорость, то есть изменяется движение. Мерой изменения скорости является ускорение. • Инертность – это свойство тел быстрее или медленнее изменять скорость своего движения код действием приложенных сил. Это свойство зависит от количества заключенного в теле вещества (материи). • Масса это величина, зависящая от количества вещества данного тела и определяющая меру его инертности (сопротивления) при поступательном движении.

Кафедра физики, математики и информатики Характеристики, отражающие меру взаимодействия тел • Момент инерции тела - скалярная величина, равная произведению движущейся массы на квадрат её расстояния от оси вращения: J= m∙г 2, где г радиус инерции, характеризующий распределение масс относительно оcи вращения. • Импульс силы - это мера воздействия силы на тело за данный промежуток времени (в поступательном движении): • Импульс момента движения): силы (для вращательного

Кафедра физики, математики и информатики Характеристики, отражающие меру взаимодействия тел • Работа силы это мера действия силы на некотором участке перемещения тела под действием этой силы: • ΔА=Fv˖ΔS, • где: ΔА элементарная работа, ΔS элементарное перемещение. Fv - проекция силы на направление вектора скорости. • Так как силы в движениях человека обычно переменны, а движения точек тела криволинейны, то работа силы представляет собой сумму элементарных работ:

Кафедра физики, математики и информатики Характеристики, отражающие меру взаимодействия тел • Мощность это работа, совершаемая в единицу времени: • Работа силы тяжести равна произведению модуля силы на вертикальное перемещение точки ее приложения: • А=P˖h • Работа упругой силы равна половине произведения жесткости на квадрат удлинения пружины: • A=1/2˖C˖Δl 2

Кафедра физики, математики и информатики Характеристики, отражающие меру взаимодействия тел • При вращательном движении работу совершает момент силы на участке углового перемещения тела: • ΔА = M(F) ˖Δφ или А =ʃ M(F)dφ где: ΔA элементарная работа, Δφ элементарный угол поворота, M(F) момент силы.

Кафедра физики, математики и информатики Характеристики, отражающие изменение состояния тел в результате взаимодействия • Количество движения это векторная величина, равная произведению массы материальной точки на вектор ее скорости и направленная, как и скорость точки, по касательной к траектории движения: • Q = т∙V • Мерой изменения состояния тела во вращательном движении является момент количества движения (кинетический момент): • K= M(m. V) = m. Vr = mr 2ω =J ω, • где: К кинетический момент (момент количества движения), J - момент инерции, ω угловая скорость.

Кафедра физики, математики и информатики Характеристики, отражающие изменение состояния тел в результате взаимодействия • Кинетическая энергия. Энергия тела это его способ ность совершать работу. Кинетическая энергия тела при по ступательном движении равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости: • Во вращательном движении: • Кинетической энергией называется энергия, зависящая от механического движения тела. Она измеряется той работой, которую тело может совершать при его затормажи вании.

Кафедра физики, математики и информатики Динамические характеристики

Кафедра физики, математики и информатики Силы, действующие на ОДА человека • Сила – всякое действие одного тела на другое, в результате которого тело меняет свое механическое состояние. • Изменение скорости – динамическое действие силы. • Деформация – статическое действие силы. • Сила – количественная мера механического взаимодействия тел.

Кафедра физики, математики и информатики Классификация сил • По способу взаимодействия тел: o дистантные, возникающие на расстоянии без непосредственного соприкосновения тел (сила тяжести) o контактные, которые возникают лишь при соприкосновении тел (упругие силы и силы трения) • По источнику возникновения относительно системы (например, тела человека): o внешние силы – это силы, вызванные действием внешних по отношению к ОДА тел (силы тяжести, силы веса и инерции внешних тел, сопротивления среды, реакции опоры, трения и упругой деформации) o внутренние силы возникают при взаимодействии частей тела человека друг с другом (силы мышечных тяг, сила реакции связи в суставе, сила трения в суставе и т. п. )

Кафедра физики, математики и информатики Классификация сил • o o o o o Активными силами являются сила тяжести тела; вес внешних тел; силы тяги мыши (единственно управляемые человеком силы). Пассивными (реактивными) силами являются: Силы сопротивления среды; силы трения; упругие силы (внешние и внутренние) силы инерции (внешние и внутренние); силы реакции опоры.

Кафедра физики, математики и информатики Классификация сил • По способу приложения силы: o сосредоточенные, приложенные к телу в одной точке o распределенные, которые делятся на: üповерхностные üобъемные • По характеру: o постоянные o переменные

Кафедра физики, математики и информатики Силы, действующие на ОДА человека • Изменить движение центра масс (ЦМ) человека могут только внешние силы. • Но только внутренние силы тяги мышц являются единственно управляемыми человеком силами, вызывающими движения звеньев в суставах.

Кафедра физики, математики и информатики • • Внешние относительно системы силы Сила тяжести тела это мера его притяжения к земле. Сила тяжести является внешней силой. Сила тяжести и вес тела в статике равны по величине, но это разные силы. Сила тяжести приложена к телу человека, а вес приложен к опоре.

Кафедра физики, математики и информатики Внешние относительно системы силы • Сила реакции опоры - это мера противодействия опоры действию на нее тела человека. • В статике сила реакции горизонтальной опоры равна весу тела, противоположно ему направлена и приложена к телу человека. Силы опорной реакции: 1, 6 — статические; 2, 4 — уменьшенные; 3, 5 — увеличенные (ориг. )

Кафедра физики, математики и информатики Внешние относительно системы силы • Сила инерции внешнего тела в инерциальной системе отсчета (реальная сила) — это мера действия на тело человека со стороны тела, ускоряемого им. • Она равна произведению массы внешнего тела на его ускорение, направлена в сторону, противоположную ускорению, и приложена к рабочей точке тела человека (место его контакта с ускоряемым телом или опорой). Сила инерции: а, б, в — реальная при ускорениях: а — положительном, б — отрицательном, в — нормальном,

Кафедра физики, математики и информатики Внешние относительно системы силы • Силы сопротивления среды • Давление в газе или жидкости — это мера силы механического воздействия между элементами данной среды и элементами среды и другими телами. • Оно равняется отношению силы к той площади, через которую осуществляется воздействие. • Для всякой площадки в среде направление силы действия одного элемента среды на другой только нормальное (перпендикулярное площадке).

Кафедра физики, математики и информатики Внешние относительно системы силы • Силы трения – это мера противодействия движению, направлен ному по касательной к поверхности прикасающегося тела. Вели чина силы трения (как составляющей реакции поверхности связи) зависит от воздействия движущегося или смещаемого тела; она направлена против скорости или смещающей силы и приложе на в месте соприкосновения. • Fтр=k∙N

Кафедра физики, математики и информатики Внешние относительно системы силы • Различают три вида трения: • скольжения, • качения • верчения. • При скольжении движущееся тело соприкасается с неподвижным одной и той же частью своей поверхности (лыжа скользит по снегу). При качении точки движущегося тела соприкасаются с другим телом поочередно (колесо велосипеда катится по треку). Верчение характеризуется движением на месте вокруг оси (волчок).

Кафедра физики, математики и информатики Внешние относительно системы силы • Сила трения скольжения динамическая (движения) проявляется при движении тела, приложена к скользящему телу и направлена в сторону, противоположную относительной скорости его движения. • Динамическая сила трения скольжения не зависит от величины движущей силы и приближенно пропорциональна динами ческому коэффициенту трения скольжения (kдин) и силе нормаль ного давления на опору (N): • Fдин=kдин. N

Кафедра физики, математики и информатики Внешние относительно системы силы • Сила трения скольжения статическая (покоя) проявляется в покое, приложена к сдвигаемому телу, направлена в сторону, про тивоположную сдвигающей силе. • Статическая сила трения скольжения равна сдвигающей силе, но не может быть больше предельной; последняя пропорциональна статическому коэффициенту трения скольжения (kст) и силе нормального давления (N): • Fст=kст. N • Предельная статическая сила трения имеется в момент начала движения.

Кафедра физики, математики и информатики Внешние относительно системы силы • Силы трения (Т): • a скольжения динамическая; • б — скольжения статическая; • в — момент трения качения (ориг. )

Кафедра физики, математики и информатики Внешние относительно системы силы • Сила упругой деформации — это мера действия деформированного тела на другие тела, с которыми оно соприкасается. Величина и направление упругих сил зависят от упругих свойств деформированного тела, а также от вида (сжатие, растяжение и др. ) и величины деформации • Fупр=C∙Δl, • где Δl величина деформации. С коэффициент жесткости (упругости) деформируемого тела.

Кафедра физики, математики и информатики Внутренние относительно системы силы • Силы мышечной тяги приложены к звеньям кинематических цепей внутри тела. Мышцы в своей активности всегда объединены в группы. Силы тяги каждой мышцы изменяются. Поэтому изменяются и тяги отдельной группы мышц и тяги взаимодействующих групп мышц. • Работа мышц — основной источник энергии движений человека (энергетическая функция). Мышцы, изменяя положение частей тела, обусловливают его воздействие на опору, среду и внеш ние тела. Посредством мышечных тяг человек управляет движениями (управляющая функция).

Кафедра физики, математики и информатики Внутренние относительно системы силы • Силы пассивного противодействия включают: • опорные реакции в суставах и местах прикрепления мышц и связок • силы сухого и жидкостного трения • силы инерции при ускорениях звеньев, органов и тканей • упругие силы деформации упругих образований