Понятие силы. Мышечная сила. Развитие силы Сила как физ величина характеризуется

Страница 1 из 8

Понятие «сила» прежде всего физическое. В механике оно выражает меру взаимодействия тел, причину их движения. Поэтому в физическом смысле – как векторная величина – сила понимается в том случае, когда рассматривается количественная сторона взаимодействия человека, скажем, с опорой, снарядом или другим внешним объектом. Иными словами, в данном случае через силу оценивается результат движения, его рабочий эффект.

Если же речь идет об источнике движения, то, говоря о силе, имеют в виду способность человека производить работу, и эта способность выступает как причина перемещения тела или его отдельных звеньев. В данном случае имеется в виду сила тяги мышц человека, то есть явление физиологическое.

И, наконец, понятие «сила» используется как одна из качественных характеристик произвольных движений человека, решающих конкретную двигательную задачу. Здесь сила вместе с такими критериями, как быстрота, выносливость, ловкость и т. п., выступает в качестве педагогического понятия, оценивающего качественную сторону выполняемого движения (Ю. В. Верхошанский, 1977).

Сила человека определяется как его способность преодолевать внешнее сопротивление посредством мышечных усилий (Теория и методика физического воспитания, 1976). То есть под понятием «сила» подразумевают любую способность человека напряжением мышц преодолевать механические и биомеханические силы, препятствующие действию, противодействовать им, обеспечивая тем самым эффект действия (вопреки препятствующим силам тяжести, инерции, сопротивления внешней среды и т.п.).

В зависимости от условий, характера и величины проявления мышечной силы в спортивной практике принято различать несколько разновидностей силовых качеств.

В том случае, когда усилия спортсмена движением не сопровождаются говорят о статическом (изометрическом) режиме работы мышц («статическая сила»). В статическом режиме напряженные мышцы не изменяют своей длины. Статическая сила характеризуется двумя ее особенностями проявления (В. В. Кузнецов, 1975; цит. по: Ж. К. Холодов, В. С. Кузнецов, 2003):

1) при напряжении мышц за счет активных волевых усилий человека (активная статическая сила);

2) при попытке внешних сил или под воздействием собственного веса человека насильственно растянуть напряженную мышцу (пассивная статическая сила).

Но чаще всего сила проявляется в движении, в так называемом динамическом режиме («динамическая сила»).

Динамическая работа мышц происходит либо в преодолевающем режиме , либо в уступающем . В первом случае работающие мышцы сокращаются и укорачиваются (например, при выжимании штанги), во втором - находясь в напряженном состоянии, они растягиваются и удлиняются (например, при амортизационном сгибании ног в момент приземления после прыжка). Кроме того, динамическая работа может происходить с разной скоростью, с различными ускорениями и замедлениями, а также с равномерным проявлением силы. Последнее при разной скорости движения называют изотоническим режимом , а при постоянной скорости движения - изокинетическими (Н. Г. Озолин, 2003).

По характеру усилий в динамической силе выделяют три разновидности (по В. Кузнецову; цит. по: С. М. Вайцеховский, 1971):

- взрывную силу – проявление силы с максимальным ускорением, что характерно, например, для так называемых скоростно-силовых упражнений: прыжков, метаний, спринтерского бега, отдельных элементов борьбы, бокса, спортивных игр и пр.;

- быструю силу – проявление силы с немаксимальным ускорением, например, при выполнении быстрых (но не предельно быстрых) движений в беге, плавании, велосипедном спорте и др.;

- медленную силу , проявляемую при сравнительно медленных движениях, практически без ускорения. Типичными примерами являются жим штанги, выход в упор силой на кольцах или перекладине.

Оценивая величину усилия в том или ином упражнении или простом движении, применяют термины «абсолютная» и «относительная» сила .

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОНЯТИЯ "СИЛА"

2.1 История понятия "сила"

Си́ла - векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности взаимодействия тел. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нем деформаций.

Сила, как векторная величина, характеризуется модулем и направлением. Второй закон Ньютона гласит, что в инерциальных системах отсчета ускорение движения материальной точки совпадает по направлению с приложенной силой; по модулю прямо пропорционально модулю силы и обратно пропорционально массе материальной точки. Или, что эквивалентно, в инерциальных системах отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна приложенной силе. Деформации являются следствием возникновения в теле внутренних напряжений.

Понятие силы использовали еще ученые античности в своих работах о статике и движении. Изучением сил в процессе конструирования простых механизмов занимался в III в. до н. э. Архимед. Представления Аристотеля о силе, связанные с фундаментальными несоответствиями, просуществовали в течение нескольких столетий. Эти несоответствия устранил в XVII в. Исаак Ньютон, используя для описания силы математические методы. Механика Ньютона оставалась общепринятой на протяжении почти трехсот лет. К началу XX в. Альберт Эйнштейн в теории относительности показал, что ньютоновская механика верна лишь в при сравнительно небольших скоростях движения и массах тел в системе, уточнив тем самым основные положения кинематики и динамики и описав некоторые новые свойства пространства-времени.

С точки зрения Стандартной модели физики элементарных частиц фундаментальные взаимодействия (гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное) осуществляются посредством обмена так называемыми калибровочными бозонами. Эксперименты по физике высоких энергий, проведенные в 70−80-х гг. XX в. подтвердили предположение о том, что слабое и электромагнитное взаимодействия являются проявлениями более фундаментального электрослабого взаимодействия.

Размерность силы в системах величин LMT - dim F = L M T−2, единица силы в Международной системе единиц (СИ) - ньютон (N, Н).

2.2 Законы Ньютона

Исаак Ньютон задался целью описать движение объектов, используя понятия инерции и силы. Сделав это, он попутно установил, что всякое механическое движение подчиняется общим законам сохранения. В 1687 г. Ньютон опубликовал свой знаменитый труд "Математические начала натуральной философии", в котором изложил три основополагающих закона классической механики (знаменитые законы Ньютона).

2.2.1 Первый закон Ньютона

Первый закон Ньютона утверждает, что существуют системы отсчета, в которых тела сохраняют состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии действий на них со стороны других тел или при взаимной компенсации этих воздействий. Такие системы отсчета называются инерциальными. Ньютон предположил, что каждый массивный объект имеет определенный запас инерции, который характеризует "естественное состояние" движения этого объекта. Эта идея отрицает взгляд Аристотеля, который рассматривал покой "естественным состоянием" объекта. Первый закона Ньютона противоречит аристотелевской физике, одним из положений которой является утверждение о том, что тело может двигаться с постоянной скоростью лишь под действием силы. Тот факт, что в механике Ньютона покой физически неотличим от равномерного прямолинейного движения, является обоснованием принципа относительности Галилея. Среди совокупности тел принципиально невозможно определить какие из них находится "в движении", а какие "покоятся". Говорить о движении можно лишь относительно какой-либо системы отсчета. Законы механики выполняются одинаково во всех инерциальных системах отсчета, другими словами все они механически эквивалентны. Последнее следует из так называемых преобразований Галилея.

Например, законы механики абсолютно одинаково выполняются в кузове грузовика, когда тот едет по прямому участку дороги с постоянной скорость и когда стоит на месте. Человек может подбросить мячик вертикально вверх и поймать его через некоторое время на том же самом месте вне зависимости от того движется ли грузовик равномерно и прямолинейно или покоится. Для него мячик летит по прямой. Однако для стороннего наблюдателя, находящегося на земле, траектория движения мячика имеет вид параболы. Это связано с тем, что мячик относительно земли движется во время полета не только вертикально, но и горизонтально по инерции в сторону движения грузовика. Для человека, находящегося в кузове грузовика не имеет значения движется ли последний по дороге, или окружающий мир перемещается с постоянной скоростью в противоположном направлении, а грузовик стоит на месте. Таким образом, состояние покоя и равномерного прямолинейного движения физически неотличимы друг от друга.

2.2.2 Второй закон Ньютона

Хотя второй закон Ньютона традиционно записывают в виде: F=ma, сам Ньютон записывал его несколько иначе, используя дифференциальное исчисление.

Второй закон Ньютона в современной формулировке звучит так: в инерциальной системе отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна векторной сумме всех сил, действующих на эту точку.

Считается, что это "вторая самая известная формула в физике", хотя сам Ньютон никогда явным образом не записывал свой второй закон в этом виде.

Поскольку в любой инерциальной системе отсчёта ускорение тела одинаково и не меняется при переходе от одной системы к другой, то и сила инвариантна по отношению к такому переходу.

Во всех явлениях природы сила, независимо от своего происхождения, проявляется только в механическом смысле, т.е. как причина нарушения равномерного и прямолинейного движения тела в инерциальной системе координат. Обратное утверждение, т.е установление факта такого движения, не свидетельствует об отсутствии действующих на тело сил, а лишь о том, что действия этих эти сил взаимно уравновешиваются. Иначе: их векторная сумма есть вектор с модулем, равным нулю. На этом основано измерение величины силы, когда она компенсируется силой, величина которой известна.

Второй закон Ньютона позволяет измерять величину силы. Например, знание массы планеты и ее центростремительного ускорения при движении по орбите позволяет вычислить величину силы гравитационного притяжения, действующую на эту планету со стороны Солнца.

симметрия. В последние десятилетия появилось большое количество новых приборов для измерения внутриглазного давления. Цель этой работы заключалась в оценке достоверности и объективности показаний нового отечественного прибора – цифрового портативного тонометра внутриглазного давления через веко ТГДц–01 «ПРА» (рис. 1). Рис. 1. Цифровой портативный тонометр внутриглазного давления через веко...

Электромеханического класса. Измерение силы тока Амперметр – прибор для измерения силы тока в амперах (рис.1). Шкалу амперметров градуируют в микроамперах, миллиамперах, амперах или килоамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком электрической цепи (рис.2) , силу тока в котором измеряют; для увеличения...

1. Законы динамики Ньютона

законы или аксиомы движения (в формулировке самого Ньютона по книге «Математические начала натуральной философии» 1687 года): «I. Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние. II. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует. III. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противопо-ложные стороны».

2. Что такое сила?

Сила характеризуется величиной и направлением. Сила характеризует действие на данное тело других тел. Результат действия силы на тело зависит не только от ее величины и направления, но и от точки приложения силы. Равнодействующая – одна сила, результат действия которой будет таким же, каким бы был результат действия всех реальных сил. Если силы сонаправлены, равнодействующая равна их сумме и направлена в ту же сторону. Если же силы направлены в противоположные стороны, то равнодействующая равна их разности и направлена в сторону большей силы.

Сила тяжести и вес тела

Сила тяжести - это сила, с которой тело притягивается к Земле вследствие Всемирного тяготения. Все тела во Вселенной притягиваются друг к другу, причем, чем больше их массы и чем ближе они расположены, тем притяжение сильнее.

Чтобы вычислить силу тяжести, следует массу тела умножить на коэффициент, обозначаемый буквой g, приближенно равный 9,8Н/кг. Таким образом, сила тяжести рассчитывается по формуле

Вес тела - это сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес из-за притяжения к Земле. Если тело не имеет ни опоры, ни подвеса, то тело не имеет и веса – оно находится в состоянии невесомости.

Сила упругости

Сила упругости - это сила, которая возникает внутри тела в результате деформации и препятствует изменению формы. В зависимости от того, как изменяется форма тела, выделяют несколько видов деформации, в частности, растяжение и сжатие, изгиб, сдвиг и срез, кручение.

Чем больше изменяют форму тела, тем больше возникающая в нем сила упругости.

Динамометр – прибор для измерения силы: измеряемую силу сравнивают с силой упругости, возникающей в пружине динамометра.

Сила трения

Сила трения покоя - это сила, которая мешает сдвинуть тело с места.

Причина возникновения трения в том, что любые поверхности имеют неровности, которые зацепляются друг за друга. Если же поверхности отшлифованы, то причиной трения являются силы молекулярного взаимодействия. Когда тело движется по горизонтальной поверхности, сила трения направлена против движения и прямо пропорциональна силе тяжести:

Сила трения скольжения - это сила сопротивления при скольжении одного тела по поверхности другого. Сила трения качения - это сила сопротивления при качении одного тела по поверхности другого; она значительно меньше силы трения скольжения.

Если трение полезно, его усиливают; если вредно - уменьшают.

3. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ , физические законы, согласно которым некоторое свойство замкнутой системы остается неизменным при каких-либо изменениях в системе. Самыми важными являются законы сохранения вещества и энергии. Закон сохранения вещества утверждает, что вещество не создается и не разрушается; при химических превращениях общая масса остается неизменной. Общее количество энергии в системе также остается неизменным; энергия только преобразуется из одной формы в другую. Оба эти закона верны лишь приблизительно. Масса и энергия могут превращаться одна в другую согласно уравнению Е = тс 2 . Неизменным остается лишь общее количество массы и эквивалентной ей энергии. Еще один закон сохранения касается электрического заряда: его также нельзя создать и нельзя уничтожить. В применении к ядерным процессам закон сохранения выражается в том, что общая величина заряда, спин и другие КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА взаимодействующих частиц должны остаться такими же у частиц, возникших в результате взаимодействия. При сильных взаимодействиях все квантовые числа сохраняются. При слабых взаимодействиях некоторые из требований этого закона нарушаются, особенно в отношении ЧЕТНОСТИ.

Закон сохранения энергии можно объяснить на примере падения шара весом 1 кг с вы соты 100 м. Начальная общая энергия шара - это ею потенциальная энергия. Когда он падаег, погенциальная энергия постепенно убывает а кинетическая нарастает, но общее копичество энергии остается неизменным Таким образом, имеет место сохранение энергии. А - кинетическая энергия возрастает от 0 до максимума: В -- потенциальная энергия уменьшается от максимума до нуля; С -- общее количество энергии, которое равно сумме кинетическом и потен Закон сохранения вещества, утверждает, что в ходе химических реакций вещество не создается и не исчезает. Это явление можно продемонстрировать при помощи класси ческого опыта, при котором производится взвешивание свечи, горящей под стеклянным колпаком (А). В конце опыта вес колпака и его содержимого остаегся таким же, каким был в начале, хотя свеча, вещество которой состоит в основном из углерода и водорода, «исчезла», поскольку из нее выделились летучие продукты реакции (вода и углекислый газ). Только после того, как в конце XVIII в ученые признали принцип сохранения вещества, стал возможен количественных подход к химии.

Механическая работа совершается тогда, когда тело движется под действием приложенной к нему силы.

Механическая работа прямо пропорционально пройденному пути и пропорциональна силе:

Мощность

Быстроту выполнения работы в технике характеризуют мощностью .

Мощность равна отношению работы к времени, за которое она была совершена:

Энергия это физическая величина, показывающая какую работу может совершить тело. Энергия измеряется в джоулях .

При совершении работы энергия тел измеряется. Совершенная работа равна изменению энергии.

Потенциальная энергия определяется взаимным положением взаимодействующих тел ил частей одного и того же тела.

Е р = F h = gmh.

Где g = 9,8 Н /кг, m - масса тела (кг) , h – высота (м).

Кинетической энергией обладает тело в следствие своего движения. Чем больше масса тела и скорость, тем больше его кинетическая энергия.

5. основной закон динамики вращательного движения

Момент силы

1. Момент силы относительно оси вращения, (1.1) где– проекция силына плоскость, перпендикулярную оси вращения,– плечо силы(кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы).

2. Момент силы относительно неподвижной точки О (начала координат). (1.2) Определяется векторным произведением радиуса-вектора, проведенного из точки О в точку приложения силы, на эту силу;– псевдовектор, его направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его вращении отк(«правило буравчика»). Модуль момента силы, (1.3) где– угол между векторамии,– плечо силы, кратчайшее расстояние между линией действия силы и точкой приложения силы.

Момент импульса

1. Момент импульса тела, вращающего относительно оси , (1.4) где– момент инерции тела,– угловая скорость. Момент импульса системы изтел есть векторная сумма моментов импульсов всех тел системы:. (1.5)

2. Момент импульса материальной точки с импульсом относительно неподвижной точки О (начала координат). (1.6) Определяется векторным произведением радиуса-вектора, проведенного из точки О в материальную точку, на вектор импульса;– псевдовектор, его направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его вращении отк(«правило буравчика»). Модуль вектора момента импульса, (1.7) где– угол между векторамии,– плечо вектораотносительно точки О.

Момент инерции относительно оси вращения

1. Момент инерции материальной точки , (1.8) где– масса точки,– расстояние её от оси вращения.

2. Момент инерции дискретного твердого тела , (1.9) где– элемент массы твердого тела;– расстояние этого элемента от оси вращения;– число элементов тела.

3. Момент инерции в случае непрерывного распределения массы (сплошного твердого тела) . (1.10) Если тело однородно, т.е. его плотностьодинакова по всему объему, то используется выражение(1.11), гдеиобъем тела.

Тела не изменяют скорости и направления своих движений, не начинают двигаться или останавливаться просто так, без причины. Для того, чтобы это происходило, тела должны подействовать друг на друга. Мерой действия одного тела на другое является сила . Можно условно сказать, что сила отвечает на вопрос «как одно тело подействовало на другое?».

Примеров взаимодействия тел множество. Удар человека ногой по мячу, падение яблока с яблони на траву, сжатие пружины в каком-нибудь механизме, столкновение движущихся предметов и многое другое. В любом случае в результате этих взаимодействий тела изменяют свои скорости и даже направления движений.

Сила характеризуется числовым значением и направлением . Можно сказать, что числовое значение силы показывает, насколько она была сильна. Направление показывает, в какую сторону была направлена сила.

Например, человек может ударить по мячу с разной силой. Если ударить слегка, то мяч откатится недалеко, а если сильно, то улетит в другой конец поля. Кроме того, человек может ударить по мячу с любого направления и под любым углом: слева перпендикулярно поверхности меча, справа по касательной к поверхности мяча и так далее, в любое место, даже сверху. В зависимости от того, где был произведен удар, и в какую сторону он был направлен, зависит направление, в котором покатится мяч.

Сила используется не только для придания движения, но и для его остановки. Если мяч медленно катится в сторону человека, он может остановить его ногой, приложив небольшое усилие. Если же мяч летит на большой скорости, то человек, ловя его, почувствует достаточно сильный удар, то есть человеку придется приложить большую силу мышц, чтобы остановить мяч.

Те физические величины, которые помимо числового значения, характеризуются еще и направлением, называются векторными. Сила является векторной величиной .

Важна точка приложения силы. На чертежах направление силы обозначают стрелкой, выходящей из точки приложения силы. Например, то место на мяче, куда наносится удар - это точка приложения силы. Угол нанесения удара определяет, куда полетит мяч, то есть определяет направление силы. Длиной стрелки стараются показать числовое значение силы. Чем сила больше, тем стрелка изображается длиннее.

Единицей измерения силы в системе СИ является ньютон, обозначается буквой Н. 1 ньютон (Н) равен силе, которая понадобится, чтобы за 1 секунду изменить на 1 м/с скорость тела массой 1 кг.

1 Н = (1 кг * 1 м/с) / 1 c = 1 кг * м/с 2

Сила в 1 Н по человеческим меркам достаточно маленькая. Человек взаимодействует со многими другими телами с силами в десятки или сотни ньютонов.

1. Сила - действие одного тела на другое, вследствие чего возникает ускорение. Т.е. сила является мерой взаимодействия сил, в результате которого тела деформируются или приобретают ускорение. Сила - величина векторная; она характеризуется числовым значением, направлением действия и точкой приложения к телу.

2. Можно ли, исходя из формулы F = ma, утверждать, что сила, приложенная к телу, зависит от массы тела и его ускорения?

2. Нет, нельзя.

3. Можно ли, исходя из выражения m = F/a, утверждать, что масса тела зависит от приложенной к нему силы и от его ускорения?

3. Нет, нельзя.

4. Можно ли, исходя из равенства а = F/m, утверждать, что ускорение тела зависит от приложенной к нему силы и от массы тела?

4. Да. Только для инерциальных систем отсчета.

5. Как формулируется первый закон Ньютона, если пользоваться понятием силы?

5. Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если результирующая всех сил, приложенных к телу, равна нулю.

6. Что такое результирующая сила?

6. Сила, равная геометрической сумме всех приложенных к телу (точке) сил, называется равнодействующей или результирующей силой.