Рух людини є механічним, тобто це зміна тіла або його частин відносно інших тіл. Відносне переміщення описує кінематика.
Кінематика - розділ механіки, в якому вивчається механічний рух, але не розглядаються причини, що викликають цей рух. Опис руху як тіла людини (його частин) в різних видах спорту , Так і різних спортивних снарядів є невід'ємною частиною спортивної біомеханіки і зокрема кінематики.
Який би матеріальний об'єкт або явище ми не розглядали, виявиться що поза простором і поза часом нічого не існує. Будь-який предмет має просторові розміри і форму, знаходиться в якомусь місці простору по відношенню до іншого предмету. Будь-який процес, в якому беруть участь матеріальні об'єкти, має в часі початок і кінець, скільки то триває в часі, може відбуватися раніше або пізніше іншого процесу. Саме з цього виникає необхідність вимірювати просторову і тимчасову протяжності.
Основні одиниці виміру кінематичних характеристик у міжнародній системі вимірювань СІ.
Простір. Одна сорокамільйонного частина довжини земного меридіана, що проходить через Париж, була названа метром. Тому довжина вимірюється в метрах (м) і кратних йому одиницях виміру: кілометрах (км), сантиметрах (см) і т. Д.
Час - одне з фундаментальних понять. Можна сказати, що це те, що відокремлює два послідовних події. Один із способів виміряти час - це використовувати будь-який регулярно повторюваний процес. Одна вісімдесяти шести тисячна частина земної доби була обрана за одиницю часу і була названа секундою (с) і кратних їй одиницях (монетах, годинах і т. Д.).
У спорті використовуються спеціальні тимчасові характеристики:
Момент часу (t) - це тимчасовий захід положення матеріальної точки , Ланок тіла або системи тіл. Моментами часу позначають початок і закінчення руху або будь-якої його частини або фази.
Тривалість руху (Δt) - це його тимчасовий захід, яка вимірюється різницею моментів закінчення і початку руху Δt = tкон. - tнач.
Темп руху (N) - це тимчасовий захід повторності рухів, що повторюються в одиницю часу. N = 1 / Δt; (1 / c) або (цикл / c).
Ритм рухів - це тимчасова міра співвідношення частин (фаз) рухів. Він визначається по співвідношенню тривалості частин руху.
Положення тіла в просторі визначають щодо деякої системи відліку, яка включає в себе тіло відліку (тобто стосовно чого розглядається рух) і систему координат, необхідну для опису на якісному рівні положення тіла в тій чи іншій частині простору.
З тілом відліку пов'язують початок і напрямок вимірювання. Наприклад, в цілому ряді змагань початком координат можна вибрати положення старту. Від нього вже розраховують різні змагальні дистанції у всіх циклічних видах спорту. Тим самим в обраній системі координат «старт - фініш» визначають відстань в просторі, на яку переміститься спортсмен при русі. Будь-яке проміжне положення тіла спортсмена під час руху характеризується поточної координатою всередині обраного дистанційного інтервалу.
Для точного визначення спортивного результату правилами змагань передбачається по якій точці (пункт відліку) ведеться відлік: по носку коника ковзанярі, по виступає точці грудної клітки бігуна-спринтера, або по задньому краю сліду приземляється стрибуна в довжину.
У деяких випадках для точного опису руху законів біомеханіки вводиться поняття матеріальна точка.
Матеріальна точка - це тіло, розмірами і внутрішньою структурою якого в даних умовах можна знехтувати.
Рух тіл по характеру і інтенсивності можуть бути різними. Щоб охарактеризувати ці відмінності, в кінематиці вводять ряд термінів, представлених нижче.
Траєкторія - лінія, описувана в просторі рухається точкою тіла. При біомеханічному аналізі рухів насамперед розглядають траєкторії рухів характерних точок людини. Як правило, такими точками є суглоби тіла. По виду траєкторії рухів ділять на прямолінійні (пряма лінія) і криволінійні (будь-яка лінія, відмінна від прямої).
Переміщення - це векторна різниця кінцевого і початкового положення тіла. Отже, переміщення характеризує остаточний результат руху.
Шлях - це довжина ділянки траєкторії, пройденої тілом або точкою тіла за вибраний проміжок часу.
Траєкторія руху точки і її переміщення
Для того, щоб охарактеризувати наскільки швидко змінюється в просторі положення рухомого тіла, використовують спеціальне поняття швидкість.
Швидкість - це відношення пройденого шляху до часу, за який він пройдено. Вона показує, як швидко змінюється положення тіла в просторі. Оскільки швидкість - це вектор , То вона також вказує, в якому напрямку рухається тіло або точка тіла.
Середньою швидкістю тіла на даній ділянці траєкторії називається відношення пройденого шляху до часу руху, м / с:
Якщо на всіх ділянках траєкторії середня швидкість однакова, то рух називається рівномірним.
Питання про швидкість бігу є важливим в спортивній біомеханіки. Відомо, що швидкість бігу на певну дистанцію залежить від величини цієї дистанції. Бігун може підтримувати максимальну швидкість тільки протягом обмеженого часу (3-4) секунди, висококваліфіковані спринтери до 5 - 6 секунд). Середня швидкість стаєр набагато нижче, ніж спринтерів. Нижче показана залежність середньої швидкості (V) від довжини дистанції (S).
Залежність середньої швидкості бігу від довжини дистанції
Світові спортивні рекорди і показана в них середня швидкість
Вид змагань і дистанція Чоловіки Жінки Час, показане на дистанції Середня швидкість м / с Час, показане на дистанції Середня швидкість м / с Біг 100 м 9,83 з 10,16 10,49 з 9,53 400 м 43,29 з 9 , 24 47,60 з 8,40 1500 м 3 хв 29,46 с 7,16 3 хв 52,47 с 6,46 5000 м 12 хв 58,39 с 6,42 14 хв 37,33 с 5,70 10000 м 27 хв 13,81 с 6,12 30 хв 13,75 с 5,51 Марафон (42 км 195 м) 2 ч 6 хв 50 с 5,5 2 ч 21 хв 0,6 с 5,0 Біг на ковзанах 500 м 36,45 з 13,72 39,10 з 12,78 1500 м 1 хв 52,06 с 13,39 1 хв 59,30 с 12,57 5000 м 6 хв 43,59 с 12,38 7 хв 14, 13 з 11,35 10000 м 13 хв 48,20 с 12,07 плавання 100 м (вільний стиль) 48,74 з 2,05 54,79 з 1,83 200 м (в / с) 1 хв 47,25 с 1,86 1 хв 57,79 с 1,70 400 м (в / с) 3 хв 46,95 с 1,76 4 хв 3,85 з 1,64
Для зручності проведення обчислень середню швидкість можна записати і через зміну координат тіла. При прямолінійному русі пройдений шлях дорівнює різниці координат кінцевої і початкової точок. Так, якщо в момент часу t0 тіло знаходилося в точці з координатою Х0, а в момент часу t1 - в точці з координатою Х1, то пройдений шлях ΔХ = Х1 - Х0, а час руху Δt = t1 - t0 (символ Δ позначає різницю однотипних величин або для позначення дуже маленьких інтервалів). В цьому випадку:
Розмірність швидкості в СІ - м / с. При подоланні великих відстаней швидкість визначають в км / год. При необхідності такі значення можна перевести в СІ. Наприклад, 54 км / год = 54000 м / 3600 с = 15 м / с.
Середні швидкості на різних ділянках шляху значно відрізняються навіть при відносно рівномірному проходженні дистанції: стартовий розгін, подолання дистанції з внутріцікловой коливаннями швидкості (під час відштовхування швидкість збільшується, під час вільного ковзання в бігу на ковзанах або фази польоту в л / а бігу - зменшується) , финиширование. У міру зменшення інтервалу, за яким обчислюється швидкість можна визначити швидкість в даній точці траєкторії, яка називається миттєвою швидкістю.
Миттєва швидкість руху, або швидкістю в даній точці траєкторії називається межа, до якого прагне переміщення тіла в околиці цієї точки до часу при необмеженій зменшенні інтервалу:
Миттєва швидкість - величина векторна.
Напрямок вектора миттєвої швидкості
Якщо величина швидкості (або модуль вектора швидкості) не змінюється, рух рівномірний, при зміні модуля швидкості - нерівномірний.
Рівномірним називають рух, при якому за будь-які рівні проміжки часу тіло проходить однакові шляхи. У цьому випадку величина швидкості залишається незмінною (у напрямку швидкість може змінюватися, якщо рух криволінійне).
Прямолінійним називають рух, при якому траєкторія є прямою лінією. У цьому випадку напрямок швидкості залишається незмінним, (величина швидкості може змінюватися, якщо рух не рівномірний).
Рівномірним прямолінійним називають рух, яке є і рівномірним і прямолінійним. В цьому випадку незмінними залишаються і величина і напрямок.
У загальному випадку при русі тіла змінюються і величина і напрямок вектора швидкості. Для того, щоб охарактеризувати наскільки швидко відбуваються ці зміни, використовують спеціальну величину - прискорення.
Прискорення - це величина, що дорівнює відношенню зміни швидкості руху тіла до тривалості проміжку часу, за який ця зміна швидкості сталося. Середнє прискорення на основі цього визначення одно, м / с?:
Миттєвим прискоренням називається фізична величина, що дорівнює межі, до якого прагне середнє прискорення за проміжок Δt → 0, м / с?:
Оскільки вздовж траєкторії швидкість може змінюватися як за величиною так і за напрямком, вектор прискорення має дві складові.
Складова вектора прискорення а, спрямована уздовж дотичній до траєкторії в даній точці, називається тангенціальним прискоренням, яке характеризує зміну вектора швидкості за величиною.
Складова вектора прискорення а, спрямована по нормалі до дотичній в даній точці траєкторії, називається нормальним прискоренням. Воно характеризує зміну вектора швидкості у напрямку в разі криволінійного руху. Природно, що коли тіло рухається по траєкторії, що є прямою лінією, нормальне прискорення дорівнює нулю.
Прямолінійний рух називається равнопеременное, якщо за будь-які проміжки часу швидкість тіла змінюється на одну і ту ж величину. У цьому випадку відношення
ΔV / Δt однаково для будь-яких інтервалів часу. Тому величина і напрямок прискорення залишаються незмінними: а = const.
Для прямолінійного руху вектор прискорення направлений по лінії руху. Якщо напрямок прискорення збігається з напрямком вектора швидкості, то величина швидкості буде зростати. У цьому випадку рух називають рівноприскореному. Якщо напрямок прискорення протилежно напрямку вектора швидкості, то величина швидкості буде зменшуватися. У цьому випадку рух називають равнозамедленно. У природі існує природне рівноприскореного руху - це вільне падіння.
Вільним падінням - називається падіння тіла, якщо на нього діє єдина сила - сила тяжіння. Досліди, проведені Галілеєм, показали, що при вільному падінні всі тіла рухаються з однаковим прискоренням вільного падіння і позначаються літерою ĝ. Поблизу поверхні Землі ĝ = 9,8 м / с ². Прискорення вільного падіння зумовлено тяжінням з боку Землі і направлено вертикально вниз. Строго кажучи, такий рух можливо лише в вакуумі. падіння в повітрі можна вважати приблизно вільним.
Траєкторія руху вільно падаючого тіла залежить від напрямку вектора початкової швидкості. Якщо тіло кинуто вертикально вниз, то траєкторія - вертикальний відрізок, а рух називається равнопеременное. Якщо тіло кинуто вертикально вгору, то траєкторія складається з двох вертикальних відрізків. Спочатку тіло піднімається, рухаючись равнозамедленно. У точці найвищого підйому швидкість стає рівною нулю, після чого тіло опускається, рухаючись рівноприскореному.
Якщо вектор початкової швидкості спрямований під кутом до горизонту, то рух відбувається по параболі. Так рухаються кинутий м'яч, диск, спортсмен, стрибає в довжину, що летить куля і ін.
Рух тіла, кинутого під кутом до горизонту
Залежно від форми подання кінематичних параметрів існують різні види законів руху.
Закон руху - це одна з форм визначення положення тіла в просторі, яка може бути виражена:
• аналітично, тобто за допомогою формул. Цей різновид закону руху задається за допомогою рівнянь руху: x = x (t), y = y (t), z = z (t);
• графічно, тобто за допомогою графіків зміни координат точки в залежності від часу;
• таблично, тобто у вигляді вектора даних, коли в один стовпець таблиці заносять числові відліки часу, а в інший в порівнянні з першим - координати точки або точок тіла.
Середнє прискорення на основі цього визначення одно, м / с?
