Биомеханика
9.4. Прилагане на закона за запазване на импулса при удари
В спорта често се срещат сблъсъци: удари с тенис ракета, бейзболна бухалка, топка и шайба с пръчка, сблъсъци на билярдни топки, сблъсъци на футболисти и хокеисти и др.
Ударъте сблъсък между две тела, ако се случи за много кратко време и силите на взаимодействие са толкова големи, че всички други сили могат да бъдат пренебрегнати.
Във физиката е приета следната класификация на ударите.Абсолютно еластичен ударТова е удар, при който не се извършва необратима трансформация на кинетичната енергия във вътрешната енергия на телата.
При абсолютно еластичен удар на свободни тела кинетичната енергия на системата и нейният импулс се запазват. След приключване на въздействието се възстановяват формите на всички тела.
Еластичният сблъсък в макроскопичния свят е недостижим идеален случай, тъй като част от кинетичната енергия на телата винаги преминава в други видове енергия (топлинна, звукова и др.).
При абсолютно нееластичен сблъсък на свободни тела импулсът на системата се запазва, а кинетичната й енергия намалява (загубената кинетична енергия се превръща във вътрешна енергия - телата се нагряват). Деформациите на телата при такъв удар непрекъснато нарастват и формите на телата не се възстановяват след края на удара.Реални удариАбсолютно еластичните и абсолютно нееластични удари са идеални гранични случаи. При сблъсък на реални тела има елементи, които са характерни както за еластични, така и за нееластични удари.
Характерните свойства на абсолютно еластичните и абсолютно нееластични удари се проявяват ясно в референтната система,свързани с центъра на масатана сблъскващи се тела. В тази референтна рамка ударите изглеждат много прости.
Телата се движат едно срещу друго със скоростиvvv2и след удара се разминават с еднакви скорости:
v=v1,v=v2
Телата се движат едно срещу друго със скоростиv1,v2 и спират след удара:
v=0, v=0
Телата се движат едно срещу друго със скоростиv1,v2и след удара се разминават със скорости:
v=kv1, v= kv2
(01 ) до скорост преди удара:
Нарича секоефициент на възстановяване на скоростта.Той характеризирастепентана еластичност. Акоk=1, тогава ударът е абсолютно еластичен (удар на стоманена топка върху стоманена плоча); акоk=0, тогава ударът е абсолютно нееластичен (удар на буца мокра глина върху плоча).
При игра на тенис коефициентът на възстановяване може да приема стойности до 0,7.^ Игра на тенисПри игра на тенис рязката промяна в естеството на движението на топката при удар с ракета се дължи на силата, действаща върху нея от страната на ракетата. Продължителността на силата на удара е много кратка, но големината му е много значителна. Както топката, така и ракетата се деформират доста, когато се сблъскат (фиг. 9.13).
Поднасянето на топката в тенис игра е пример за нееластичен удар. Всички параметри на въздействието са показани на фиг. 9.14.
Хилка с масаMсъс скоростv0удря неподвижна топка с масаt.След като топката се отдели от повърхността на ракетата, тя се движи със скоростu,и скоростта на ракетата след това ставаv.Разглеждайки ракетата и топката като изолирана система, можем да напишем закона за запазване на момента хм:
Високоскоростната стрелба ви позволява да определите скоростта на ракетата в момента на удара и след удара, както и скоростта на топката след удара. Намерените по този начин скорости могат да се използват за изчисляване на загубата на кинетична енергия по време на доставката. За професионален играч разликата между кинетичната енергия на ракетата преди удара и общата кинетична енергия на ракетата и топката след удара е приблизително 30-35 J. Тази енергия се преобразува в други форми на енергия, а именно топлина и звук (ударът на ракетата върху топката винаги се чува).
Фиг. 9.13.Удряне на топката с тенис ракета: двете тела са деформирани
Фиг. 9.14.Взаимодействие между ракетата и топката при игра на тенисРитане на топкатаПри изучаване на балистичното движение на спортисти, изпълняващи удари, беше установено, че ако в началото на такова движение всички усилия, приложени към центровете на тежестта на връзките на кинематичната верига (крака), са насочени по посока на движението, то точно преди контакт с ударения обект, тези усилия променят посоката си на противоположна (фиг. 9.15).
Физиологично това инхибиране съответства на активността на антагонистите (напълно пасивни в началната фаза на движение), което е добре проследено, когато се отстранят биоелектричните потенциали на съответните мускули (фиг. 9.16).
Фиг. 9.15.Посока на силите, приложени към центровете на тежестта на връзките на краката
на удрящия топката спортист: / и // — началото на движението; ///— моментът на контакт на крака с топката;IV—момент след удара
Фиг. 9.16.Биоелектрична активност на мускулите на краката на спортиста,
ритане на топката:1 —rectus femoris; 2 - бицепс феморис; 3 - предна тибиална;4 —gastrocnemius Описано явлениеима напълно определени физически причини. Когато нанасяте какъвто и да е удар, е много важно да превърнетемеката кинематична веригана крака в един твърд лост (направете го въртене). В този случай в удара ще участва не само масата на крайното звено на веригата, но и масите на всички останали звена (което значително увеличава масата на удрящия обект). След като се превърне в твърда система, кинематичната верига на крайника няма да абсорбира в най-решаващите моменти и следователно ще прехвърли максимално възможното количество кинетична енергия към ударения обект.