Меню Рубрики

Какой угол вылета с точки зрения механики является оптимальным

Задача любого вида метаний — перемещение снаряда в пространстве на возможно большее расстояние. Метания требуют от спортсмена мощных усилий взрывного характера. Занятия метаниями развивают силу, быстроту, ловкость, координацию движений.

В зависимости от способа выполнения легкоатлетические метания делятся на три вида: 1) толчком (ядро); 2) броском из-за головы (копье, граната); 3) с поворотом (диск, молот).

Толкание ядра. Толканию ядра как спортивному упражнению предшествовало толкание тяжелых камней, а позднее — тяжелых кусков металла. Родиной толкания ядра является Великобритания. Этим объясняется, что вес ядра и размер места для толкания определяются английской- системой мер. Для достижения высоких спортивных результатов в этом виде легкой атлетики требуется совершенная техника исполнения и высокий уровень развития силовых и скоростно-силовых качеств.

Материальное обеспечение. Мужское ядро весит 16 английских фунтов (7,260 кг), а женское — 4 кг. Диаметр круга для толкания равен 7 английским футам (2,135 м). У передней внешней части обода круга устанавливается брусок из дерева (сегмент) высотой 10 см, окрашенный в белый цвет. Ядро — шар, имеющий гладкую поверхность, оно должно быть из чугуна, латуни или другого материала.

В секторе для приземления ядра, а также диска и молота ограничительные линии расходятся под углом 34,92°. Боковые линии секторов шириной 5 см не входят в площадь секторов.

Метание копья, гранаты и мяча. Если метание копья использовалось в системе физического воспитания древних греков, то метание гранаты евро включаться в соревнования в нашей стране с 20-х годов прошлого столетия. В настоящее время метание гранаты не входит в программу крупных соревнований. Вместе с тем метание гранаты широко применяется в школах и в армии, а также используется как вспомогательное упражнение для овладения отдельными элементами техники метания копья. Метание малого мяча по технике движений выполняется так же, как и метание гранаты.

Материальное обеспечение. Копье состоит из древка, наконечника и обмотки. Мужчины метают копье весом 800 г и длиной 260-270 см, женщины соответственно 600 г и 220-230 см.

Место для соревнований по метанию копья представляет собой дорожку (шириной 4 м, длиной — не менее 30 м) для выполнения разбега с копьем и размеченный под углом 29° сектор для приземления снарядов, разделенные криволинейной планкой (ширина 7 см), от которой измеряется спортивный результат.

Спортивная граната может быть деревянной, либо из другого пригодного материала с металлическим чехлом, или цельнометаллической. Вес гранаты — 700 г для мужчин, женщины и юноши среднего возраста метают гранату весом 500 г.

Вес и диаметр мячей, используемых при обучении и тренировке, могут быть различными. На соревнованиях мальчиков и девочек используются мячи весом 155-160 г.

Метание гранаты и мяча на соревнованиях небольшого масштаба производится с места и с разбега в коридор шириной 10 м, а на соревнованиях выше городского масштаба угол сектора, как и в метании копья, — 29°.

Метание диска было одним из любимых физических упражнений в древности. Диск является планирующим снарядом, так как обладает аэродинамическими свойствами. Интересно, что метание диска — один из немногих видов легкой атлетики, где и мировой и олимпийский рекорды, принадлежащие женщинам, выше, чем установленные мужчинами.

Материальное обеспечение. Диск метают из круга диаметром 2,50 м.

Для обеспечения безопасности участников, судей и зрителей по периметру круга устанавливается предохранительное ограждение высотой 7 м.

Диск изготавливается из дерева или другого подходящего материала, окаймленного металлическим ободом. Мужской диск весит 2 кг, женский — 1 кг.

Метание молота. Как вид легкой атлетики возник в Шотландии и Ирландии, где изначально бросали какой-либо массивный груз с прикрепленной деревянной рукоятью. Современная техника метания молота основана на вращательно-поступательном движении системы «метатель-снаряд» в пространстве, ограниченном размерами круга. Требует от спортсменов силы и координации движений. Вращательное движение является лучшим способом сообщения снаряду высокой скорости. Поэтому в настоящее время молот метают с трех или четырех поворотов, как мужчины, так и женщины.

Материальное обеспечение. Снаряд по составу, форме и весу аналогичен ядру (7,260 кг — у мужчин и 4 кг — у женщин), к которому крепится стальная проволока с ручкой на конце. Для безопасности метания круг диаметром 213,5 см ограничивается металлической сеткой.

При проведении занятий необходимо соблюдать следующие правила:

  • на занятиях по метаниям пользоваться только исправным инвентарем, при этом вес и размеры его должны соответствовать возрасту и подготовленности учащихся;
  • не проводить встречных метаний; не располагаться со стороны метающей руки, а находиться сзади метателя;
  • перед каждым броском предупреждать окружающих, а находящиеся в поле должны стоять лицом в сторону метающего;
  • метать и собирать снаряды только по команде преподавателя (запретить передачу снарядов по воздуху);
  • непосредственно перед метанием снарядов выполнить специальные упражнения для мышц и связок локтевого и плечевого суставов, а в сырую погоду тщательно вытирать снаряды;
  • при метании диска и молота место для метания должно быть огорожено предохранительной сеткой.

При подготовке оборудования к соревнованиям, в дополнение к уже сказанному, необходимо помнить, что перед каждым соревнованием надо обязательно проверять сетки ограждений, правильное их крепление к стойкам, прочность самих стоек. Ограждение должно быть таким, чтобы не возникла опасность отскока или рикошета снаряда в сторону спортсмена или вылета над верхом ограждения.

Основы техники легкоатлетических метаний

В легкой атлетике имеются 5 видов метаний — ядра, диска, копья, молота и гранаты.

Основная цель метателей — бросить (метнуть, толкнуть) снаряд на возможно большее расстояние, соблюдая определенные правила, ограничивающие действия спортсменов. Метания построены на трех основных способах бросания снарядов: 1) через плечо (копье, граната); 2) с боку (диск, молот); 3) от плеча (ядро). Эти способы определяют форму разбега и финального усилия в метании.

Метание копья и гранаты выполняется с прямолинейной формой разбега — лицом вперед. Толкание ядра в основном осуществляется спиной в сторону метания, где прямолинейность разбега (скачка) сочетается с поворачивающим движением тела в момент выбрасывания снаряда. Наконец, при метании диска, молота, а в последнее время и ядра, применяется разбег в виде поворота, где одновременно сочетаются поступательные и вращательные движения (с одним поворотом в диске, ядре и 3-4 поворотами в молоте). Несмотря на различную форму и вес снаряда, на разные условия и способы выполнения метаний, имеется много закономерностей, обусловливающих рациональную технику метаний.

Факторы, влияющие на дальность полета легкоатлетических снарядов

Все метания подчинены общим законам механики. На любой снаряд, бросаемый под углом к горизонту, действуют одни и те же факторы, определяющие дальность его полета. Исходя из законов механики, дальность полета снаряда равна:

где V — начальная скорость вылета снаряда; а — угол вылета снаряда; g — ускорение свободного падения.

Это уравнение, однако, не учитывает воздействия атмосферной среды и того факта, что снаряд покидает руку метателя на некоторой высоте вылета (h).

Высота начальной точки вылета (h) зависит от роста метателя, длины его рук, техники. Чем выше высота начальной точки вылета, тем лучше. Но поскольку высоту начальной точки вылета увеличить для одного и того же спортсмена практически невозможно, рассчитывать на рост результата за счет этого не приходится.

Вышеприведенную формулу можно использовать для определения дальности полета снаряда, но всегда следует учитывать и другие параметры. Итак, в целом на результат в метании легкоатлетических снарядов влияют следующие факторы (рис. 9):

а) начальная скорость вылета снаряда (V);

б) угол вылета снаряда (а),

в) воздействие атмосферной среды (сопротивление воздуха, сила и направление ветра);

г) высота выпуска снаряда над землей (h);

д) аэродинамические свойства снаряда;

е) угол атаки снаряда (β).

Все факторы определяют в каждом конкретном случае эффективность метаний, но при этом значение каждого из параметров далеко не равноценно. В практике наибольшее значение имеют -начальная скорость, угол вылета и воздействие атмосферной среды. Их анализ необходим прежде всего для правильной оценки всех движений метателя, совершающего бросок снаряда. Рассмотрим подробнее каждый из основных факторов, влияющих на дальность полета снаряда.

Начальная скорость вылета снаряда на дальность его полета

Рассматривая составные величины указанной выше формулы, становится очевидным, что основным фактором увеличения дальности полета снаряда во всех метаниях является начальная скорость.

Теоретически нет никаких ограничений для увеличения начальной скорости. В формуле начальная скорость возведена в квадрат (V02), поэтому если скорость возрастает в два раза, то дальность полета, при прочих равных условиях, увеличивается в 4 раза, при увеличении в 3 раза — в 9 раз и т.д. Например, скорости вылета ядра 10 м/с соответствует результат 12 м, а скорости 15 м/с -около 25 м, т.е. увеличение скорости в 1,5 раза приводит к увеличению результата в 2,25 раза.

В метаниях скорость вылета снаряда создается в итоге использования быстроты:

  • предварительного размахивания;
  • предварительного перемещения («метатель + снаряд» в разбеге);
  • заключительного, финального усилия метателя в момент самого броска.

При этом степень сообщения скорости в разбеге и финальном движении для разгона снаряда в различных видах метания разная. Так, скорость стартового разгона в толкании ядра составляет 15-20%, метании копья — 15-22%, метании диска — 40-45%, метании молота — 80-85%, а остальная скорость сообщается снаряду в финальном усилии.

Как видно, в толкании ядра и метании копья большее значение для разгона снаряда имеет финальное движение, в метании диска эти части техники метания имеют примерно равное значение, а в метании молота предварительная скорость значительно больше окончательной. Характерно, что у спортсменов высокого класса более равномерно увеличивается скорость снаряда от старта до вылета. Значительные колебания скорости видны и наблюдаются, как правило, у спортсменов младших спортивных разрядов. Спортсменов высокого класса отличает больший прирост скорости снаряда в финальном усилии.

Начальная скорость вылета снаряда является результатом суммирования скоростей отдельных звеньев тела — ног, туловища, рук. При этом, что особенно важно, происходит последовательный разгон звеньев снизу вверх, т.е. каждое последующее звено начинает движение, когда скорость предыдущего достигает максимума. Начальная скорость сообщается снаряду за счет работы мышц ног и туловища, а заключительная — включения мышц плечевого пояса и руки (копье, ядро, диск, граната).

Кроме этого, скорость вылета снаряда зависит от величины силы, приложенной к снаряду, и времени воздействия этой силы на него. Если исходить из второго закона Ньютона (V = Ft/m), то получится, что скорость прямо пропорциональна силе и времени ее приложения (масса снаряда — величина постоянная). Значит, чем большей силой мы будем воздействовать на снаряд и чем продолжительнее будет это воздействие, тем с большей скоростью снаряд покинет руку метателя. Если длину пути приложения на снаряд брать как степень технического мастерства спортсмена, то в конечном счете мы приходим к выводу, что начальная скорость снаряда (и результат в спортивном метании) находится в прямой зависимости от специальной силовой подготовленности и технического мастерства метателя.

Читайте также:  Хорошее зрение ясный ум на долгие годы

Важно подчеркнуть, что для обеспечения воздействия на движущийся с относительно большой скоростью снаряд мышцы метателя должны быть не только сильными, но и быстрыми. Причем спортсмен в процессе всего метания должен сообщать скорость не одному снаряду, а всему телу и снаряду, то есть системе «метатель + снаряд». Лишь во второй половине финального усилия ускоряется только один снаряд.

Следует отметить еще два условия, влияющие на увеличение начальной скорости в метаниях с вращением (диск, молот). Большую роль для создания начальной скорости полета снаряда здесь играет величина угловой скорости и радиус вращения, то есть расстояние от оси вращения до центра тяжести снаряда.

На величину радиуса влияет длина руки метателя (при метании диска), длина снаряда и расположение центра тяжести в самом снаряде (при метании молота). Чем больше радиус вращения при данной угловой скорости, тем выше начальная скорость полета и лучше результат метания.

Влияние угла вылета снаряда на спортивный результат

Следующим фактором, от которого в значительной мере зависит дальность полета, является угол вылета снаряда.

Углом вылета (а) называется угол, построенный в точке вылета снаряда и заключенный между горизонтальной линией и вектором скорости диска (касательной к началу траектории полета). Как известно, если снаряд бросить в безвоздушном пространстве под углом 45° к горизонту, то он пролетит наибольшее расстояние. Но на практике оптимальные углы вылета различных снарядов оказываются меньше. Во-первых, это обусловливается тем, что спортивный снаряд выпускается в среднем на высоте от 160 до 220 см. Наличие разницы уровней вылета и приземления снаряда (так называемый угол местности) является первой причиной уменьшения теоретического угла выпуска.

Во-вторых, метание под меньшим углом позволяет увеличить путь воздействия на снаряд и, в-третьих, строение мышечной системы спортсмена способствует большему приложению усилий при более низком угле вылета. Во всех видах метаний, кроме метания диска, с увеличением скорости разбега угол вылета незначительно повышается (в метании диска понижается). Кроме этого, в планирующих снарядах (диск, копье) на изменение угла вылета влияет еще направление и величина ветра.

Таким образом, угол вылета зависит от высоты выпуска снаряда над землей, аэродинамических свойств снаряда (для диска и копья), состояния атмосферы (направление ветра), скорости разбега.

В спортивных метаниях надо использовать так называемые оптимальные углы вылета снарядов. В данном случае под оптимальным углом понимают наиболее выгодный угол для дальности полета снаряда.

Для спортивных метаний рекомендуются следующие оптимальные углы вылета:

  • при метании копья: 30 -35°;
  • при метании диска: 36 -38°;
  • при толкании ядра: 38-41°;
  • при метании молота и гранаты: 42 -44°.

Воздействие атмосферной среды на дальность полета снаряда

После того как снаряд покинул руку метателя, на него сразу же начинают действовать две силы воздушной среды: 1) сила сопротивления (или лобового сопротивления); 2) подъемная сила.

Сила сопротивления направлена против скорости снаряда и тем самым уменьшает дальность его полета. Она в основном зависит от площади поперечного сечения снаряда и от квадрата скорости его движения.

Подъемная сила — это сила, которая удерживает снаряд в полете, противодействуя силе тяжести. Если снаряд движется так, что потоки воздуха его обтекают равномерно как сверху, так и снизу, то на него не будет действовать подъемная сила. Если же направление скорости не совпадает с направлением продольной оси снаряда (плоскости диска), то потоки воздуха сверху и снизу будут неодинаковы. При этом сверху частицы воздуха будут обтекать снаряд быстрее и в то же время проходить большее расстояние, чем снизу, а, следовательно, давление воздуха на снаряд будет меньше, чем давление снизу. В результате разности давлений сверху и снизу возникает подъемная сила.

Существенно помнить, что подъемная сила не обязательно направлена вверх, ее направление может быть различным. Это зависит от положения снаряда и направления воздушного потока относительно его. В тех случаях, когда подъемная сила направлена вверх и уравновешивает вес снаряда, он начинает планировать. Планирование копья и диска существенно повышает результаты в метаниях.

При полете таких тяжелых снарядов, как ядро и молот, действие этих сил практически незначительно и фактически не влияет на их полет в воздухе. Иначе с так называемыми планирующими снарядами, как диск и копье, которым в полете оказывает существенное сопротивление атмосферная среда (плотность воздуха, сила и направление ветра). Важную роль при метании планирующих снарядов играет угол атаки, который образуется продольной осью (плоскостью) снаряда и направлением набегающего потока воздуха. Он может быть положительным, равным нулю или отрицательным. Если поток воздуха набегает на нижнюю поверхность диска и копья, то угол атаки положительный, если на верхнюю -отрицательный.

Как видно из рис. 10, на снаряд действуют сила тяжести (g), сила сопротивления среды (X), подъемная сила (Y). Фиксируются углы вылета (а) и атаки (β).

В метании диска лучше, если значение угла атаки вначале будет равно углу вылета. Иными словами, метатель должен стремиться направить усилия точно в плоскость снаряда. В этом случае диск в полете не будет совершать поперечных движений. Метатели копья стремятся, чтобы угол атаки был близок к нулю (попасть точно в копье»). При полете мяча, ядра и молота угла атаки нет.

Следует иметь в виду, что с увеличением угла атаки (β) увеличивается как подъемная сила, так и лобовое сопротивление воздушной среды, но при этом прирост подъемной силы будет идти гораздо быстрее, чем прирост лобового сопротивления. Впоследствии лобовое сопротивление продолжает возрастать, а подъемная сила начинает уменьшаться, и когда плоскость снаряда станет перпендикулярной направлению скорости, подъемная сила станет равной нулю. Следовательно, на траектории есть участки, где подъемная сила больше лобового сопротивления, и участок, где лобовое сопротивление превышает подъемную силу. Отсюда и вытекает

необходимость найти оптимальные углы выпуска и атаки, при которых подъемная сила на большом участке траектории полета превышала бы лобовое сопротивление, а значит, и снаряд мог бы пролететь большее расстояние.

Большое влияние на полет планирующих снарядов оказывает направление движения воздуха. При метании диска и копья против встречного ветра возрастает сила лобового сопротивления воздуха и пропорционально увеличивается подъемная сила. Так создается аэродинамический прирост дальности полета снаряда. При метаниях против ветра для лучшего использования подъемной силы несколько уменьшают угол вылета снарядов по мере увеличения скорости ветра. Расчеты показывают, что встречный ветер порядка 5 м/с, например, увеличивает дальность полета диска на 10%, а попутный снижает на 2,5%.

Интересно, что аэродинамические свойства женского диска выше, чем мужского. При одной и той же начальной скорости женский диск летит дольше, чем мужской. Причем при сильном встречном ветре это преимущество еще более возрастает. При попутном ветре скорость его совпадает с направлением полета снаряда и происходит уменьшение аэродинамической силы. Но поскольку при этом уменьшается и сила лобового сопротивления, то это обстоятельство нужно уметь использовать для увеличения дальности броска. Это достигается путем увеличения угла вылета.

Самым неудобным для копья и диска является действие бокового ветра, который нарушает основные законы планирования снарядов в полете.

Основные части легкоатлетических метаний

Все существующие метания являются целостными ациклическими упражнениями.

Однако для удобства анализа техники каждое метание условно состоит из шести взаимосвязанных частей:

I — держание снаряда;

II — подготовка к разбегу и разбег (поворот, скачок);

III — подготовка к финальному усилию («обгон» снаряда);

IV — финальное движение (усилие);

V — торможение и сохранение равновесия после выпуска снаряда;

VI — вылет и полет снаряда.

Держание снаряда

Задача этой части — держать снаряд так, чтобы выполнить метание свободно, с оптимальной амплитудой движения, обеспечив наиболее эффективное приложение своих сил. Правильное держание снаряда зависит от его формы, веса, способа метания и позволяет наиболее полно использовать длину и силу конечностей, по возможности расслаблять мышцы метающей руки до финального усилия и сохранять контроль за движениями спортсмена. Все это способствует передаче силы метателя на снаряд в нужном направлении и по наибольшему пути, что и обеспечивает высокую начальную скорость вылета снаряда.

При метании диска и молота, с точки зрения биомеханики, нужно держать снаряд так, чтобы его центр был подальше удален от оси вращения спортсмена. Тем самым увеличивается радиус вращения, а значит, повышается начальная скорость вылета.

Подготовка к разбегу и разбег

Основная задача этой части — создать предварительную (оптимальную) скорость движения метателя со снарядом и обеспечить благоприятные условия для финального усилия. Во время разбега метатель составляет как бы единую систему со снарядом, где приобретенное им ускорение передается снаряду. Разбег выполняется в виде ускоренного бега (метание гранаты и копья), скачка (толкание ядра) и поворота (метание диска и молота, а также в последнее время — толкания ядра).

Разбегу в некоторых метаниях предшествует выполнение спортсменом предварительных движений. В толкании ядра — это замах (наклон тела) и группировка, в метании диска — размахивания, в метании молота — предварительные размахивания. Только в метании гранаты и копья спортсмен из исходного положения сразу начинает разбег.

Главная задача предварительных движений — сосредоточить внимание на выполнении метания в целом, занять рациональное исходное положение, создать наиболее выгодные условия для максимальной работы мышц в последующих движениях. В метании молота эти движения (вращения молота) позволяют к тому же придать снаряду значительную скорость до начала поворотов.

При выполнении разбега в форме одного (диск) или нескольких поворотов (3-4 в молоте) возникает значительная центробежная сила (при метании молота на 75 м она равна 300 кг), которая затрудняет движения метателя. Спортсмен обязан не только противостоять возрастающей центробежной силе, т.е. обеспечить устойчивое положение тела, но и завершить технически правильный мощный выпуск снаряда.

В разбеге (в форме поворотов или скачка) метатель может придать скорость системе «метатель + снаряд» только при опоре ногами на грунт, так как в двухопорном положении он может действовать на снаряд с наибольшей, чем при одноопорном положении, силой и, следовательно, придать снаряду большую скорость. При этом время пребывания в безопорном положении, в течение которого метатель не в состоянии увеличить скорость, следует свести к минимуму.

Предварительные движения (разбег, скачок и повороты) не выполняются на слишком высокой скорости. Эта скорость в различных метаниях должна быть оптимальной, при которой спортсмен в состоянии контролировать свои действия для создания благоприятных условий при выполнении финального движения. Скорости движения метателя и снаряда должны соответствовать техническим, скоростным и силовым возможностям метателя.

Независимо от движений и усилий метателя более совершенной техникой метания следует считать такую, когда скорость движения снаряда обязательно должна возрастать к концу метания. Скорость разбега всегда должна подбираться со строгим учетом возможностей метателя, позволяя полноценно «передать» приобретенную метателем во время разбега «энергию» снаряду. Наибольшая скорость перемещения снаряда создается в метании молота, где шар в конце 3-4 поворота достигает скорости 23-24 м/с, проходя путь 60-70 м. При метании диска снаряд развивает скорость 10-12 м/с, проходя за время поворота путь 12-15 м. При метании копья скорость перемещения снаряда и метателя достигает 6-8 м/с. Самый медленный разбег при толкании ядра — около 3 м/с.

Читайте также:  Что собой представляет ген с биохимической и генетической точки зрения

Переход от разбега к броску в метаниях — наиболее трудный компонент техники, и он оказывается тем сложнее, чем больше скорость движения метателя в разбеге (особенно в копье, молоте, диске).

О роли разбега в метаниях говорят такие факты: при толкании ядра разница в дальности между броском с места и с разбега составляет в среднем 1,5-2 м, при метании диска — 7-10 м, при метании копья — 20-25 м. Эти данные могут служить критерием эффективности разбега.

Подготовка к финальному усилию («обгон» снаряда)

Во второй части разбега, разогнав снаряд до определенной горизонтальной скорости, метатель готовится к финальному усилию. Эта подготовка не есть простой переход от разбега к выпуску снаряда, а довольно сложное перераспределение усилий отдельных мышечных групп, и чем большая скорость движений, тем труднее его выполнить. Задача этой части — при минимальной потере линейной скорости движения снаряда ускоренным движением отдельных частей тела растянуть мышцы всех звеньев тела так, чтобы создать условия для их последовательного сокращения.

При подготовке к финальному усилию метатель должен сделать следующее:

а) увеличить или сохранить горизонтальную скорость, полученную снарядом в разбеге;

б) в конце разбега (поворота) обогнать снаряд;

в) понизить общий центр масс тела для лучшего использования силы ног при броске;

г) обеспечить правильное устойчивое исходное положение перед финальным усилием.

Остановимся более подробно на этих действиях метателя.

В разных метаниях подобные действия происходят различно, однако во всех случаях большое значение отводится созданию предпосылок для увеличения скорости к концу метания.

Если метатель не может удержать достаточную горизонтальную скорость, то разбег (поворот) теряет свой смысл и даже мешает. Обгоном снаряда называют действия метателя в процессе разбега, когда нижняя часть тела спортсмена (ноги, таз) обгоняет верхнюю (туловище, руки) и снаряд. Иными словами, обгон снаряда осуществляется путем увеличения скорости нижней части тела метателя относительно верхней части. При этом обгон снаряда происходит не только в передне-заднем направлении, но и путем скручивания туловища в поясничной области в сторону, обратную направлению метания. Обгоняя снаряд, спортсмен увеличивает воздействие на него в финальном усилии.

В процессе подготовки к финальному усилию метатель за счет более широкой расстановки и сгибания ног понижает общий центр масс тел. Это делается для того, чтобы увеличить вертикальную скорость вылета снаряда. Метатель должен стремиться к тому, чтобы как можно ниже сместить ОЦМТ и этим увеличить путь подъема его в финальном усилии. При этом, чем ниже смещен ОЦМТ, тем больше времени требуется д

Человек с точки зрения механики

Разделы: Физика

Цель образовательная: показать применение законов механики при рассмотрении строения и функций организма человека, закрепление материала по механике.

Развивающая цель: развитие мышления.

Воспитательная цель: формирование познавательного интереса у учащихся: познай себя, и ты познаешь мир.

Оборудование: таблицы «Кровообращение», «Мышцы человека», скелет человека, кинофрагменты.

I. Организационный момент. Цели, план проведения.

Учитель: Как к живой, так и не живой природе применимы физические законы, но они не исчерпывают сложность поведения живой природы. Если рассматривать все знания, накопленные человечеством за 100%, то 95 % — знания о мире, космосе – знания о костном, т.е. неживом веществе планеты. 5% — знания о живом веществе, 0,05% — знания о человеке.

Сегодня на уроке – конференции мы попробуем взглянуть на себя со стороны, основываясь на знаниях, полученных в курсе механики.

1. Сообщение: «Гулливер и лилипуты. Это возможно?»

Не погрешил ли Свифт против физики в своих путешествиях Гулливера великанов и лилипутов? Да, погрешил. Его великаны в 12 раз больше нормального человека. По законам механики человекоподобное существо высотой более 20м должно было бы иметь столь массивный скелет, что, по всей вероятности, оно попросту сломалось бы под его тяжестью. Галилей высказал мысль, что увеличение размеров привело бы к тому что, тело было бы раздавлено или сломано тяжестью своего собственного веса. Человек огромных размеров должен быть толстым и неповоротливым. Растет потребность в пище пропорционально объему тела, а возможность ее добывания уменьшается, вследствие понижения подвижности.

Законы физики определяют некоторый предел размерам животных и человека. Имеются ли у физики возражения против лилипутов? С точки зрения законов механики здесь все в порядке, но возникает вопрос теплообмена. Если у нас в теле выделяется излишняя теплота, мы потеем – т.е. включаем дополнительный механизм охлаждения. Люди – лилипуты Свифта ростом немного больше 10 см вряд ли могли бы существовать. Им приходилось бы много дышать, непрерывно питаться, все время находиться в быстром движении и при этом кутаться в теплые одежды. Так что для человеческого организма существующие размеры являются не только оптимальными, но и, по сути дела единственно возможными.

Учитель: Итак, особенно крупные животные не бывают грациозными, при возрастании размеров произойдет недопустимое возрастание механических нагрузок на организм. Как позаботилась природа о человеке?

2. Сообщение: «Скелет человека» кинофрагмент.

Как же работают наши кости? Как и строительные элементы, они работают в основном на сжатие – растяжение и на изгиб. Оптимальной конструкцией является кость с частично отсутствующей сердцевиной – трубчатые кости. Развитию костной системы в процессе эволюции привело к уменьшению массы человека примерно на 25% при сокращении прочности скелета. Достаточно ли прочны наши кости? Причиной высокой прочности костей является их композиционная природа. Именно она одновременно обеспечивает и большую твердость костей скелета, и их эластичность.

Кости нашего скелета по прочности превосходят и гранит, и бетон. Однако, чтобы избежать разрушения тела, возникающие в нем механические напряжения не должны превышать предел прочности больше допустимого напряжения, это называется запасом прочности.

На примере человека можно проследить все виды деформации. Деформации сжатия испытывают позвоночный столб, нижние конечности и покровы ступней. Деформации растяжения – верхние конечности, связки, сухожилия, мышцы. Изгиба – позвоночник, кости таза; кручения – шея при повороте головы, туловище в пояснице при повороте, кисти рук при вращении и т.д.

Бедренная кость, поставленная вертикально, может выдержать давления груза в полторы тонны (автомобиль «Волга»). Какие бы нагрузки не прикладывались, кость никогда не работает на излом, а только на растяжение и сжатие. Прекрасной иллюстрацией прочности костей человека может служить скелет каратиста. Каратист концентрирует свой короткий удар на очень малом участке тела, не делая при этом длинных махов руками. Поэтому удар каратиста может разрушать ткани и кости противника, на которые он направлен. Хорошо тренированный каратист может в течение нескольких миллисекунд нанести удар в несколько киловатт. Рука каратиста не ломается при ударе даже о бетонный брусок, который частично объясняется большей прочностью кости по сравнению с бетоном. Кроме того, между костью и бруском бетона всегда находится эластичная ткань, амортизирующая удар.

Учитель: наш организм создан природой с учетом знаменитого «золотого правила механики».

3. Сообщение: «Рычаги в организме человека»

В скелете животных и человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Например, у человека – кости конечностей, нижняя челюсть, череп, фаланги пальцев. Рычажные механизмы скелета обычно рассчитаны на выигрыш в скорости при потери в силе. Рассмотрим условия равновесия рычага на примере черепа (приложение №1). Здесь ось вращения рычага О проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы , позади – сила тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости. Рука тоже представляет собой совершенный рычаг, точка опоры которого находится в локтевом суставе. Действующей силой является сила двуглавой мышцы (бицепс), которая прикрепляется к бугорку лучевой кости, преодолеваемым сопротивлением является груз , приложенный к кисти. Под действием силы рычаг – рука поднимает груз, находящийся на ладони. Чертёж показывает этот момент вращения мышечной силы (произведение силы на её плечо) равен в данном случае Момент вращения груза M будет равен .Если пренебречь массой лучевой кости, то в состоянии равновесия =

Точка приложения силы находится на расстоянии =3 см (т.е. плечо силы =3 см), а плечо силы тяжести =30 см, отсюда следует

Таким образом, чтобы удержать груз M, необходимо усилие мышцы, в десять раз превышающую величину груза (приложение №2). То, что проигрываем здесь в силе, не имеет особого значения, — мышца обладает достаточно большой силой. Зато очень важно то, что, проигрывая в силе, мы выигрываем в других отношениях. Небольшое сокращение длины мышцы позволяет в данном случае осуществить значительное перемещение ладони с грузом (мы можем поднять груз даже к плечу). Кроме того, мы выигрываем в скорости перемещения. Мышцы не могут очень быстро сокращаться; к счастью, при таком рычаге этого не требуется: скорость перемещения ладони с грузом оказывается в 10 раз больше скорости сокращения мышцы. Другими словами, проигрывая в 10 раз силе, мы во столько же раз выигрываем в длине и скорости перемещения груза. Другим примером работы рычага является действие свободы стопы при подъеме на полупальцы. Опорой О рычага, через которую проходит ось вращения, служат головки плюсневых костей. Преодолеваемая сила – вес всего тела – приложена к таранной кости. Действующая мышечная сила осуществляющая подъем тела, передаётся через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости (приложение №3).

Почему вытянутой рукой нельзя удержать такой же груз, как согнутой? Когда рука вытянута, то направление действия мышечной силы составляет малый угол с продольной осью вращения рычага (приложение №4). Чтобы в этом случае удержать груз такой же, как и при согнутой руке, нужно значительно увеличить мышечное усилие. При одном и том же мышечном усилии вытянутой рукой можно удержать значительно меньший груз, чем согнутой.

Учитель: Поражает исключительная целесообразность устройства нашей опоры – двигательной системы. Форма костей и суставов, как мы выяснили, обеспечивает человеку наиболее выгодные условия для движения. Ещё сложнее строение и взаимоотношение мышц – двигателей нашего тела.

4. Сообщение: «Мышцы и движение» кинофрагмент.

Одни из самых сильных мышц у человека те, что расположены по обе стороны рта и отвечают за сжатие челюстей. Они способны развивать усилие до 700H! Согласно исследованиям у плачущего человека задействованы 43 мышцы лица, в то время, как у смеющегося всего 17 таким образом смеяться энергетически выгодно. Если бы все мышцы человека напрягались, они бы вызвали силу давления, примерно равную 250 кН.

Строение и форма мышц зависит от той работы, которую приходится им чаще всего выполнять. Сила, развиваемая мышцей, является геометрической суммой сих отдельных волокон. Поэтому, чем толще мышца, тем она сильнее — например икроножная мышца. Она может поднять груз массой до 130 кг. В среднем же мышцы человека на каждый 1 см 2 сечения развивают силу 160 Н. Эта сила может изменяться, т.к. определяется не только ЦНС, но и внешними механическими условиями, нагрузкой.

Читайте также:  С точки зрения куна революция это

Если вы подняли гирю в несколько килограммов и держите её на весу, то с точки зрения механики вы совершили работу только при поднятии груза, но держать гирю на весу не на много легче, чем поднять её вверх, хотя А=О. Это объясняется тем, что мышцы приводящие в движении руки или ноги, способны к быстрым сокращениям, но каждое сокращение длится малое время. Сокращение мышцы вызывается сигналом, поступающим к ней по нервам головного мозга. Если длительное время держать груз на весу, такие сигналы непрерывно друг за другом поступают к мышце. Когда приходит очередной сигнал, мышца сокращается, но тут же сама по себе расслабляется впредь до получения следующего сигнала. В результате груз, который вы держите, испытывает малые колебания вверх и вниз. Рука дрожит, что особенно заметно, если гирю держать достаточно долго. Скелетные мышцы не способны удерживать груз в строго определенном положении. При периодическом поднятии груза на малые расстояния работа будет совершаться. Поэтому рука устает, не только когда вы поднимаете груз, но и когда держите его на весу.

Учитель: Основой основ для жизни человека является кровь и система кровообращения. Можем ли мы применить закон механики к движению крови в организме человека?

5. Сообщение: «Движение крови по сосудам. Закон Бернулли».

Сосуды пронизывают все участки нашего тела. Сердце – это насос, нагнетающий кровь в артериальную систему. Кровь течет по разветвляющимся артериям до капилляров. Их общая длина 100 тыс. км. Сокращаясь, мышца давит на стенки вен, которые сжимаются и выдавливают кровь по направлению к сердцу, т.к. клапаны, находящиеся выше, открываются, а находящиеся ниже – закрываются.. Чем объяснить, что давление крови с удалением от левого желудка сердца падает? По различным участкам кровеносного русла кровь течет с разной скоростью. Причина? Данное явление не связано с силами трения, а связано с уравнением Бернулли.

Чем больше сечение, тем скорость течения жидкости по ней меньше. Сердце работает частотой 60 Гц, следовательно, струя должна быть прерывистой, а она непрерывна. Пульсация сглаживается т.к. кровеносные сосуды эластичны. Поэтому когда кровь поступает в аорту, та расширяется до тех пор, пока приток крови не прекратится. После этого силы упругости растянутой стенки, стремясь вернуть её к первоначальным размерам, выжимают кровь в более удаленный от сердца участок артерии. Этот участок артерии растягивается, и все начинается сначала.

В результате после каждого сокращения сердца вдоль артерии в направлении от сердца к периферии пробегает волна деформации, подобна тому, как распространяются волны на поверхности воды от брошенного в неё камня. И если на артерию, находящуюся вблизи поверхности тела (например – у запястья), наложить пальцы, то можно ощутить эти волны в виде толчков пульса. Удивительный двигатель – сердце, в среднем за сутки сокращается 100 тыс. раз и перекачивает при этом 10 тыс. литров крови.

6. Сообщение: «Равновесие. Центр тяжести. Человек.»

Центр тяжести (так называют точку притяжения силы тяжести) существует у любого тела. Иногда точку приложенной силы тяжести называют центром масс. Это ни какая-нибудь выделенная точка, она ничем не отличается от других и, более того, может вообще находиться вне тела как у бублика или стула. Давайте рассмотрим несколько ситуаций, в которых мы были или можем быть:

  1. Может ли человек, упершийся правой ногой и правым плечом в стену, поднять левую ногу и не потерять равновесие? (нет, так как вертикальная линия, проходящая, через центр тяжести, будет так же проходить через ступню правой ноги);
  2. Почему человек, несущий груз на спине, наклоняется вперед? (груз изменяет положение центра тяжести, и человек, находящийся в неустойчивом положении наклоняется, чтобы вертикаль, проходящая через центр тяжести, прошла через центр опоры);
  3. Почему трудно стоять на одной ноге? (площадь опоры мала. Поэтому человеку, стоящему на одной ноге, трудно удержать равновесие).
  4. Почему при ходьбе люди размахивают руками? (когда человек перемещает ногу вперед, вперед смещается центр тяжести. Чтобы сохранить первоначальное положение центра тяжести, руку отводят назад, такое чередование повторяется при каждом шаге).

Учитель: Человеку было недостаточно просто ходить, ему захотелось бегать, прыгать; ставить рекорды, летать и возникла новая проблема – действие ускорения на человека.

7. Сообщение: «Вестибулярный аппарат. Действие ускорений»

Изучая законы Ньютона, мы много говорили об ускорении.

Рассмотрим, как влияют ускорения на организм человека. Нервные импульсы, сигнализирующие о пространственном перемещении тела, в том числе и головы, поступают в специальный орган – вестибулярный аппарат. Вестибулярный аппарат информирует головной мозг об изменении скорости движения. Характеристика пороговых величин раздражений вестибулярного аппарата, доходящих до сознания человека, а также средние ускорения при разных движениях, следующие: карусель, а = (3-4) м/с 2 ; лифт а = 2 м/с 2 выполнение фигур высшего пилотажа а = (20-80) м/с 2 ; разбег спортсмена на старте а = (8-10) м/с 2 ; катапультирование из самолета а = 200 м/с 2 . Каковы воздействия ускорений?

Если на человека действует ускорение в направлении от головы к ногам, численно равное 2g, то ощущается давление всего тела на сиденье, напряжение мышц, но нарушений самочувствия не наблюдается. При а = (2-4)g требуется большие усилия для удержания головы в вертикальном положении, ощущается затруднительность дыхания, неприятные, а подчас болезненные ощущения смещения внутренних органов. Уменьшается точность движений, увеличивается число ошибок при оценке показаний приборов самолета, из-за смещения подвижных участков кожи на лице меняется внешний облик человека. При а = (4-5)g помимо этих явлений часто возникают зрительные нарушения («серая пелена») при дальнейшем увеличении ускорений а = (5-6)g свыше 5 сек. Могут возникнуть нарушения сознания. Все эти воздействия носят временный характер. Ещё К.Э.Циолковский предлагал для повышения выносливости человека к действию ускорений помещать его тело в жидкость одинаковой с ним плотности. Подобная защита достаточно широко распространена в природе. Так защищается зародыш в яйце, так предохраняется плод в утробе матери.

Учитель: Кому принадлежат слова: «Человечество не останется вечно на земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе околосолнечное пространство».

8. Сообщение: «Невесомость и человек»

Слова «антигравитация», «антигравитационный» долгое время казались выходцами из фантастики. А между тем мы буквально на каждом шагу только тем и занимаемся, что преодолеваем земное притяжение. Кровь в наших жилах притягивается Землей и понятно, что есть в организмах человека и животного специальные механизмы, обеспечивающие равномерное распределение крови по телу. Есть знаменитая древняя формула: лучше сидеть, чем стоять, лучше лежать, чем сидеть. Физический смысл этого изречения, при желании, можно отнести к снабжению организма кровью. Ведь когда лежащий человек встает или стоящий ложится, он коренным образом меняет свое положение в поле земного тяготения. В легких человека находятся особые пузырьки – альвеолы, через их стенки кислород поступает в кровь. В верхние отделы легких крови поступает меньше чем в нижние, это связано только с тем, что в распределение крови по организму важную роль играет гравитация. У лежащего на спине человека легкие заполняются кровью более равномерно. Зато, как показали эксперименты, жизненная емкость легких у сидящего человека больше, чем у лежащего, и еще больше она у стоящего. Уровень обмена энергии у человека при стоянии на 10-18% больше, чем когда он лежит на спине.

Каков реальный срок безвредного пребывания в невесомости? По мнению многих специалистов, такой срок должен существовать и считаться с этим необходимо. Тренировки, тренировки и еще раз тренировки. Мышцы, во всяком случае, большинство из них можно так поддерживать в работоспособном и здоровом состоянии. Хуже дело обстоит с костями скелета. Ноги несут обычно на себя тяжесть всего тела. Как вернуть им в этом отношении хотя бы ощущение нагрузки? В невесомости ткани обескровливаются, а кровь, наоборот, становится сильно разбавлена тканевой жидкостью. Расширяются центральные вены и предсердия, чтобы пропускать избыток крови (увы, кажущийся) и удалять его через почки. С жидкостью из организма уходит и кальций.

К невесомости не приспособлен механизм снабжения органов тела кровью через артерии. Все космонавты говорили о временных приливах крови к голове, видели, как у товарищей по кабине космического корабля становятся одутловатыми лица и даже морщины разглаживаются. Это организм гонит кровь в голову с силой, преодолевать – то в невесомости нечего.

Учитель: Существует старинная притча о мудреце и юноше. Юноша спросил: «ты знаешь намного больше, чем я; почему же, отвечая на вопрос, ты сомневаешься чаще, чем я?» и тогда мудрец нарисовал палкой на песке два круга; малый внутри большого, «Посмотри, — сказал он юноше, — внутри малого круга заключено все, что знаешь ты, а в большом – все, что знаю я. Разве не ясно, что чем больше круг, тем длиннее ограничивающая его окружность, а значит, и больше соприкосновение с областью неопознанного?»

Не только поэты, но и физики сомневались временами в познаваемости природы. Однако подобные кризисы неизбежно преодолевались, завершаясь, раз новым качественным скачком в процессе научного познания.

Факторы, влияющие на дальность полета снаряда

Во-первых, от начальной скорости вылета снаряда, которую ему задает спортсмен и которая зависит от пути приложения силы к снаряду и скорости прохождения этого пути. Чем больше путь активного воздействия спортсменом на снаряд и чем меньше понадобится времени для преодоления этого пути, тем выше начальная скорость вылета снаряда и выше результат.

Во-вторых, от угла вылета снаряда. Анализ кинограмм сильнейших метателей копья показывает, что оптимальным является угол в 40°. Чем дальше может метнуть снаряд спортсмен (а значит, создать снаряду высокую начальную скорость вылета), тем ближе к оптимальному должен быть угол вылета снаряда. В-третьих, на дальность полета влияет сопротивление воздушной среды, которое зависит от площади поперечного сечения снаряда, находящегося в полете. Например, если спортсмен может метнуть снаряд только на 30 м, а придает снаряду угол вылета, который необходим при броске на 90 м, то снаряд, выпущенный метателем и имеющий малую начальную скорость вылета, испытывает большое сопротивление воздуха. Снаряд, выпущенный под необходимым к горизонту углом, опирается на подъемные, более плотные слои воздуха под ним, что дает ему возможность планировать.

В-четвертых, от начальной точки вылета снаряда. При всех прочих равных возможностях лучший результат будет у того метателя, у которого наивысшая точка вылета снаряда.

Угол вылета,скорость вылета,высота выпуска снаряда.

Источники:
  • http://xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai/%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8/564529/
  • http://xn--80aqqdgddhbb4i.xn--p1ai/%D1%84%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80%D1%8B-%D0%B2%D0%BB%D0%B8%D1%8F%D1%8E%D1%89%D0%B8%D0%B5-%D0%BD%D0%B0-%D0%B4%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C-%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%B0/