При дистанции 100 метров мощность работы зависит от времени, за которое выполняется эта работа. Мощность рассчитывается как отношение выполненной работы к времени, затраченному на её выполнение. Если, например, работа выполнена быстро, мощность будет выше, чем при медленном выполнении.
В зависимости от силы, приложенной для преодоления сопротивления (например, против ветра или трения), и состояния спортсмена, мощность может варьироваться. Однако, для конкретного расчета необходимы данные о затраченной энергии и времени выполнения задачи.
Калькулятор расчета энергии, силы и дистанции
Механическая работа представляет собой процесс, в ходе которого объект начинает двигаться. Этот параметр непосредственно зависит от силы, которая его вызывает, и расстояния, на которое он перемещается.
Определение термина
Механическая работа представляет собой скалярную величину, которая определяется как произведение модуля приложенной силы на модуль пройденного пути. Если направление силы и движения расходятся, то в расчет добавляется косинус угла между соответствующими векторами. Таким образом, формула для вычисления механической работы выглядит следующим образом:
Это может звучать не очень ясно. Скалярная величина — это численное значение, полученное в результате перемножения двух векторов. Приложенная сила и движение всегда имеют свои направления, поэтому в физике они обозначаются векторами. Для вычисления скалярного произведения векторов применяются их модули, в то время как различие в направлениях учитывается с помощью косинуса угла, образованного этими направленными отрезками. Если векторы направлены в одну сторону, косинус угла равен единице, и в этом случае работа составляет:
Если векторы силы и движения располагаются перпендикулярно, то косинус угла равен нулю, следовательно, работа также равна 0. Например, если сила направлена вверх, а тело движется горизонтально, то очевидно, что такая сила не совершает никакой работы. Другое дело, если тело также начнет двигаться вверх. Работа совершается, если сила действует на объект, и он перемещается. Работа не выполняется, если сила действует, а тело остается на месте. Работа так же не совершается, если тело движется по инерции.
Таким образом, сила измеряется в ньютонах, расстояние — в метрах, значит, работа представляется в Н×м. В международной системе единиц (СИ) произведение ньютонов на метры называется джоулями. Из данного определения вытекает, что 1 Дж — это количество работы, выполняемое силой в 1 Н при перемещении объекта на 1 м.
Отрицательная и результирующая работы
Когда приложенная сила и направление движения действуют в противоположных направлениях, то работа этой силы считается отрицательной, поскольку косинус угла в 180 градусов равен –1. В определенных ситуациях сила просто мешает движению и в рамках выбранной системы отсчета также рассматривается как отрицательная. К примеру, сила трения всегда выполняет отрицательную работу, замедляя движение тела:
Если же на тело действует несколько сил, то полная работая вычисляется как произведение результирующей силы на преодоленное расстояние. В некоторых случаях разнонаправленные силы могут обратить результат в нуль, и тело так и не сдвинется с места. Этот случай иллюстрирует знаменитая басня Крылова «Лебедь, рак и щука»: животные приложили к возу разнонаправленные силы, в результате чего их работа оказалась равна нулю. Работа представляет собой энергетическую характеристику тела и тесна связана с такими понятиями как мощность, кинетическая и потенциальная энергия.
Связь работы и энергии
Энергия представляет собой величину, показывающую, насколько физическое тело способно выполнять работу. Чем выше уровень энергии, тем больше труда может совершить данное тело. Если объект умеет это делать, но находится в состоянии покоя, с физической точки зрения он считается носителем потенциальной энергии. Например, к числу ярких примеров потенциальной энергии можно отнести:
- объекты, поднятые на высоту (воды водопадов или валуны на краю обрывов);
- упруго деформированные тела (сжатая пружина, натянутая тетива);
- сжатые газы.
Когда объект движется, он может оказывать влияние на другие объекты, тем самым обладая кинетической энергией. Например, камень, поднятый вверх, имеет максимальную потенциальную энергию, однако его кинетическая энергия в этот момент равна нулю, поскольку объект находится в покое и не взаимодействует с окружающими телами.
С началом падения камня его потенциальная энергия уменьшается, в то время как кинетическая увеличивается. В момент удара о землю потенциальная энергия камня становится нулевой, так как сила тяжести уже не выполняет работу. В то же время кинетическая энергия объекта достигает максимального значения, поскольку камень воздействует на землю. В данном примере работу выполняет сила тяжести, и чем выше высота, с которой падает камень, тем больше выполняется работа.
Для выполнения любой работы необходима энергия. Например, кофеварка потребляет энергию из электросети и совершает работу – нагревает воду для напитка. Если мы говорим о силах, которые прикладывает человек или животное, то энергия для них поступает из пищи. К примеру, ездовая собака использует свою мускульную энергию для совершения работы — тащит сани по снегу. Чем большую дистанцию преодолеет пес, тем большую работу он совершит.
Наша программа представляет собой онлайн-калькулятор, который позволяет вычислить работу, силу или расстояние. Для этого нужно знать любые два значения, которые требуется ввести в соответствующие ячейки. После клика кнопки «Рассчитать» программа автоматически заполнит пустое поле.
Примеры работы калькулятора
Задача по физике
В задаче по физике требуется вычислить работу, которая совершается при перемещении мешка с песком на дистанцию 120 м при приложении силы величиной 300 Н. Эта элементарная задача решается по формуле, которая заложена в наш калькулятор:
A = F × S = 300 × 120 = 36 000 Дж
Понятно, что из этой формулы легко выражается любая неизвестная, но наш калькулятор пригодится для быстрых расчетов, когда требуется посчитать несколько вариантов.
Сжигание калорий
Приверженцы здорового образа жизни постоянно подсчитывают килокалории, которые поступают в их организм вместе с питательными веществами. Известно, что одна 1 килокалория = 4 184 джоуля. При питании возникают излишки, которые требуется израсходовать, иначе они отложатся на бочках. Пусть лишним был кусочек шоколада, равный 100 ккал или 418 400 Дж. Это энергию можно израсходовать на бег.
Если человек весит 70 кг, то для преодоления дистанции 1 м он прикладывает силу 700 Н. Сколько метров ему потребуется пробежать, чтобы израсходовать излишки? Используем калькулятор и вычислим дистанцию:
S = A / F = 418400 / 700 = 597 м
Если бы бегущий был тяжелее, ему бы потребовалась больше энергии на преодолении 1 м, а потому дистанция для траты 100 ккал была бы меньше.
При дистанции 100 м мощность работы будет
Мощность выполняемой работы и энергообеспечение мышечного сокращения
Физические тренировки проводятся с разной скоростью и степенью внешнего отягощения. При этом изменяется напряжённость физиологических функций (интенсивность работы), которая оценивается по величине отклонений от базового уровня. Таким образом, по относительной мощности циклической работы (измеряемой в Вт или кдж/мин) можно оценить реальную физиологическую нагрузку на тело спортсмена.
Разумеется, степень физиологической нагрузки связана не только с измеряемыми, поддающимися точному учёту показателями физической нагрузки. Она зависит и от исходного функционального состояния организма спортсмена, от уровня его тренированности и от условий среды. Например, одна и та же физическая нагрузка на уровне моря и в условиях высокогорья вызовет разные физиологические сдвиги. Иначе говоря, если мощность работы измеряется достаточно точно и хорошо дозируется, то величина вызываемых её физиологических сдвигов не поддастся точному количественному учёту. Затруднено и прогнозирование физиологической нагрузки без учёта текущего функционального состояния организма спортсмена.
Физиологическая оценка адаптивных изменений в организме спортсмена невозможно без соотнесения их с тяжестью (напряжённостью) мышечной работы. Эти показатели учитываются при классификации физических упражнений по физиологической нагрузке на отдельные системы и организм в целом, а также по относительной мощности работы, выполняемой спортсменом.
Циклические упражнения отличаются друг от друга по мощности выполняемой спортсменами работы. По классификации, разработанной В.С. Фарфелем, следует различать циклические упражнения: максимальной мощности, в которых длительность работы не превышают 20-30 секунд (спринтерский бег до 200м, гит на велотреке до 200м, плавание до 50 м и др.); субмаксимальной мощности, длящиеся 3-5 минут (бег на 1500 м, плавание на 400 м, гит на треке до 1000 м, бег на коньках до 3000 м, гребля до 5 минут и др.); большой мощности, возможное время выполнения которых ограничивается 30-40 минутами (бег до 10000 м, велотрек, велогонки до 50 км, плавание 800 м — женщин, 1500 м — мужчин, спортивная ходьба до 5 км и др.), и умеренной мощности которую спортсмен может удерживать от 30-40 минут до нескольких часов (шоссейные велогонки, марафонские и сверхмарафонские пробеги, др.).
Критерий мощности, положенный в основу классификации циклических упражнений, предложенной В.С. Фарфелем (1949), является весьма относительным, на что указывает и сам автор. Действительно, мастер спорта проплывает 400метров быстрее четырёх минут, что соответствует зоне субмаксимальной мощности, новичок же проплывает эту дистанцию за 6 минут и более, т.е. фактически совершает работу, относящуюся к зоне большой мощности.
Несмотря на определённую схематичность разделения циклической работы на 4 зоны мощности, оно вполне оправдано, поскольку каждая из зон определённое воздействие на организм и имеет свои отличительные физиологические проявления. Вместе с тем, для каждой зоны мощности характерны общие закономерности функциональных изменений, мало связанные со спецификой различных циклических упражнений. Это даёт возможность по оценке мощности работы создать общее представление о влиянии соответствующих нагрузок на организм спортсмена. [16]
Многие функциональные изменения, характерные для различных зон мощности работы, в значительной степени связаны с ходом энергетических превращений в работающих мышцах.
Энергообеспечение мышечного сокращения
Любой вид физической активности требует затрат определенного количества энергии.
Единственным прямым источником энергии для мышечного сокращения служит аденозинтрифосфат (АТФ). Запасы АТФ в мышце незначительны и их хватает на обеспечение нескольких мышечных сокращений только в течение 0,5 секунд. При расщеплении АТФ образуется аденозиндифосфат (АДФ). Для того чтобы мышечное сокращение могло продолжаться дальше, необходимо постоянное восстановление АТФ с такой же скоростью, с какой она расщепляется.
Восстановление АТФ во время сокращений мышц может происходить как через реакции, не требующие кислорода (анаэробные), так и через окислительные процессы внутри клеток, которые зависят от кислорода (аэробные). Когда концентрация АТФ в мышцах начинает уменьшаться, а уровень АДФ увеличивается, к восстановлению АТФ подключается креатинфосфатный механизм.
Креатинфосфатный источник является самым быстрым путем восстановления АТФ, который происходит без доступа кислорода (анаэробным путем). Он обеспечивает мгновенное восстановление АТФ за счет другого высокоэнергетического соединения — креатинфосфата (КрФ). Содержание КрФ в мышцах в 3-4 раза выше, чем концентрация АТФ.
По сравнению с другими источниками восстановления АТФ, КрФ источник обладает наибольшей мощностью, поэтому он играет решающую роль в энергообеспечении кратковременных мышечных сокращений взрывного характера. Такая работа продолжается до тех пор, пока не будут значительно исчерпаны запасы КрФ в мышцах. На это уходит примерно 6-10 секунд. Скорость расщепления КрФ в работающих мышцах находится в прямой зависимости от интенсивности выполняемого упражнения или величины мышечного напряжения.
Только после того, как запасы КрФ в мышцах будут исчерпаны примерно на 1/3 (на это уходит примерно 5-6 секунд), скорость восстановления АТФ за счет КрФ начинает уменьшаться, и к процессу восстановления АТФ начинает подключаться следующий источник — гликолиз. Это происходит с увеличением длительности работы: к 30 секунде скорость реакции уменьшается наполовину, а к 3-й минуте она составляет лишь около 1,5% от начального значения.
Гликолитический источник обеспечивает восстановление АТФ и КрФ за счет анаэробного расщепления углеводов — гликогена и глюкозы. В процессе гликолиза внутримышечные запасы гликогена и глюкоза, поступающая в клетки из крови, расщепляются до молочной кислоты. Образование молочной кислоты — конечного продукта гликолиза — происходит только в анаэробных условиях, но гликолиз может осуществляться и в присутствии кислорода, однако в этом случае он заканчивается на стадии образования пировиноградной кислоты. Гликолиз обеспечивает поддержание заданной мощности упражнения от 30 секунд до 2,5 минут.
Продолжительность периода восстановления АТФ за счет гликолиза ограничивается не запасами гликогена и глюкозы, а концентрацией молочной кислоты и волевыми усилиями спортсмена. Накопление молочной кислоты при анаэробной работе находится в прямой зависимости от мощности и продолжительности упражнения. [5]
Окислительный (оксидативный) источник обеспечивает восстановление АТФ в условиях непрерывного поступления кислорода в митохондрии клеток и использует долговременные источники энергии. Такие как углеводы (гликоген и глюкоза), аминокислоты, жиры, доставляемые в мышечную клетку через капиллярную сеть. Максимальная мощность аэробного процесса зависит от скорости усвоения кислорода в клетках и от скорости поставки кислорода в ткани.
Наибольшее количество митохондрий (центров "усвоения" кислорода) отмечается в медленно сокращающихся мышечных волокнах. Чем выше процент содержания таких волоком в мышцах, несущих нагрузку при выполнении упражнения, тем больше максимальная аэробная мощность у спортсменов и тем выше уровень их достижений в продолжительных упражнениях. Преимущественное восстановление АТФ за счет окислительного источника начинается при выполнении упражнений, длительность которых превышает 6-7 минут
Энергообеспечение мышечного сокращения является определяющим фактором для выделения 4 зон мощности.
биологический физиологический двигательный физический
Область относительной мощности выполнения
