Способы измерения работы силы

Методы измерения силы мышц

Содержание

Измерение характеристик силы [ править | править код ]

Измерение характеристик силы — это очень сложная область науки о спорте. Ее задачей является определение физической формы спортсмена для того, чтобы на этой основе разработать соответствующий план тренировки, а также оценить тренировку для определения ее эффектов и внесения необходимых изменений. Оценка динамики результатов тренировки основывается на неоднократном проведении измерений. При этом важно учитывать целый ряд факторов, влияющих на объективность, достоверность и надежность измерений. Многие из этих факторов приведены в форме опросного листа в работе Кремера, Ратамесса, Фрайя и Френча (Kraemer et al., 2006). В него включены, например, вопросы о сопоставимости питания тестируемого и температуры во время тестирования, об изменении установок в аппаратуре, о наличии каких-либо признаков заболеваний и многие другие.

С помощью диагностических методов предпринимается попытка получить результаты измерений различных факторов силы и ее проявлений. При этом для каждой области используются обычно специфические методы измерения силы, которые отвечают специфическим требованиям.

По возможности перед тестированием силы следует провести разминку для подготовки организма к физической нагрузке. Необходимо ли после разминки растягивание той или иной мышцы — это вопрос, который следует хорошо обдумать, т.к. растяжка может оказывать отрицательное воздействие на мышечную работоспособность. Если разминка включает соответствующие движения с определенным углом между суставами, то целенаправленное растягивание мышц после нее не нужно. Вопрос о необходимости перед тестированием использовать субмаксимальные нагрузки пока остается открытым. Некоторые авторы (Schlumberger, Schmidtbleicher, 2000) рекомендуют следовать предпочтениям тестируемого. Важную роль играют подробные указания, которые получает тестируемый, содержащие описание цели и процесса проведения тестирования. Также при измерении характеристик силы большое значение имеет наличие обученного персонала. Особенно важно это при тестировании максимальной силы (по возможности со свободным весом), т. к. в этом случае часто требуется страховка.

Ниже представлен краткий обзор важных методов измерения силовых характеристик (без претензии на исчерпывающую полноту), в который включены методы статического и динамического тестирования, а также краткое описание основных методов измерения (с помощью динамометров, тензометрических датчиков).

Разовое повторение с максимальным весом (One Repetition Maximum, концентрическая максимальная сила) [ править | править код ]

Под 1 RM (One Repetition Maximum, концентрическая максимальная сила) подразумевается величина отягощения, которое при максимальном напряжении и правильном выполнении движения может быть преодолено один раз. Определяется эта величина, как правило, на силовых тренажерах, т. е. с помощью известных упражнений. Поэтому измерение 1 RM у опытных спортсменов-профессионалов производится быстро и не представляет собой никаких трудностей. Во-первых, им хорошо знакомы и сами тренажеры, и порядок выполнения упражнений, с помощью которых тестируется максимальная сила. Во-вторых, благодаря их опыту несложно определить величину максимальной нагрузки. После разминки довольно быстро (после 3-4 попыток) подбирается вес отягощения, соответствующий 1 RM.

Начинающим Шлумбергер и Шмидтбляйхер (Schlumberger, Schmidtbleicher, 2000) советуют произвести оценку 1 RM следующим образом: сначала выполняются несколько повторений с субмаксимальным напряжением для того, чтобы тестируемый привык к тренажеру и был подготовлен к выполнению данного конкретного упражнения. Затем вес отягощения увеличивают каждый раз на 5-10 кг, причем при любой его величине его поднимают только один раз. Интервал между двумя попытками составляет около 2-3 мин. Если становится очевидно, что величина веса все ближе подходит к максимальному значению, то его повышают при каждой попытке только на 1,25-5 кг, пока не будет достигнута максимальная величина. Интервал между попытками с весом, близким по значению к максимальному, может быть достаточно продолжительным. Рекомендуются интервалы от 3 до 5 мин между попытками.

В связи со сложностями привыкания к тренажерам и новым ощущениям при первом определении 1 RM у начинающих часто возникают ошибки. Поэтому рекомендуется сначала перед тестированием провести отдельное тренировочное занятие, направленное на привыкание к тренажерам. При тестировании и также в процессе тренировок, чтобы снизить риск получения травм, к упражнениям с максимальными весами следует прибегать только при наличии соответствующей страховки партнера (особенно при выполнении со свободным весом). При обсуждении данной формы определения максимальной силы необходимо сделать целый ряд важных замечаний (Boeckh-Berens, Buskies, 2001). Одно из них касается зависимости результатов измерений от уровня мотивации тестируемого спортсмена и от правильной координации движений. Оба этих фактора могут повлиять на то, что полученный результат не на 100% будет соответствовать реальному, а это может привести к погрешностям в дальнейших расчетах интенсивности нагрузки. Другое важное замечание касается аспекта нагрузки «до отказа», к которому особо внимательно следует отнестись в случае известных ограничений по здоровью во избежание определенного риска. В таких случаях для тестируемых могут представлять опасность форсированное дыхание, высокое АД и высокие нагрузки на пассивный двигательный аппарат. Проблема также может заключаться в том, что проявления силы у спортсмена как раз в начале тренировки значительно меняются. Поэтому необходимы многократные измерения, которые будут являться основой для вычисления каждый раз новых актуальных значений интенсивности нагрузки. Также нельзя забывать о том, что сама измерительная аппаратура часто подвергается критике в связи с тем, что вследствие отсутствия бесступенчатого регулирования нагрузки на силовых тренажерах и, соответственно, отсутствия в некоторых случаях необходимой нагрузки профессиональным спортсменам иногда не удается достичь предельной величины усилия. Шлумбергер и Шмидтбляйхер (Schlumberger, Schmidtbleicher, 2000) не согласны с этим, заявляя в качестве возражения, что такой вид определения силы экономически выгоднее, чем многие биомеханические способы измерения (электромиография, динамометры, тензометрические датчики, изокинетика). Еще одно преимущество — это удобство применения полученных значений максимальной силы на практике, т. к. и тренировка, и проведение измерений проводятся на одних и тех же тренажерах. Поэтому, несмотря на все недостатки, данный метод пользуется популярностью и часто применяется.

Электромиография [ править | править код ]

Электромиография (ЭМГ) — это метод измерения мышечной активности. Физиологической основой данного метода является регистрация потенциалов действия в процессе иннервации мышечных клеток.

Регистрация работы мышц с помощью (поверхностной) ЭМГ позволяет создать координационные модели определенных движений. Кроме того, с помощью этого метода можно определить степень активности мышцы по отношению к максимальнохму произвольному сокращению (МПС), а также состояние утомления посредством анализа частоты зарегистрированных сигналов (Zschorlich, 2003). ЭМГ зависит от гой силы, которую хмышца развивает при статических условиях. Хотя такая связь имеет линейный характер (Seidenspinner, 2005), судить на ее основе о развиваемой силе не представляется возможным. Используя данный способ измерения, Бекх-Беренс и Бускис (Boeckh-Behrens, Buskies, 2001) составили список силовых упражнений с учетом их эффективности.

В биомеханике и науке о спорте обычно используются поверхностные электроды (Zschorlich, 2003). Они накладываются на поверхность кожи и неинвазивно регистрируют электрическое напряжение. Преимущество поверхностных электродов состоит в том, что с их помощью можно проводить и динамические измерения. Это объясняет широкую область их применения в спорте. Однако в восприятии сигналов через кожу заключается и недостаток, т. к. при прохождении через кожу они могут измениться. Кроме того, при использовании поверхностных электродов нужно учитывать возможность наложения сигналов различных мышц (Wiek, 1998), что затрудняет анализ данных отдельной мышцы. В неврологии по этой причине часто используются игольчатые электроды, которые вводятся непосредственно в мышцы (Bischoff et al., 2005). При этом улучшается качество сигналов, что позволяет собрать более точные данные об отдельных частях мышцы.

На точность сигналов ЭМГ могут оказывать отрицательное воздействие многие факторы. Натяжение проводов или давление на электроды может вызывать напряжение в электрической сети (50 Гц) или ложное увеличение сигналов. Поэтому к анализу данных измерений следует подойти с особой осторожностью.

Измерение силы посредством тензометрических датчиков и динамометров [ править | править код ]

Измерение воздействия внешних сил называется динамометрией. В биомеханике с этой целью широко используются силоизмерительные пластины (кварцевые кристаллы) или тензометрические датчики (Zschorlich, 2003). С помощью тензометрических датчиков сила измеряется на основе изменения формы тела, а измерения с использованием кварцевых кристаллов основаны на пьезоэлектрическом эффекте. Каждый метод имеет свои плюсы и минусы: тензометрические датчики экономичны и просты в эксплуатации. С их помощью можно проводить измерения силы на протяжении длительного времени. Однако линейность зависимости измеренной силы от действующей внешней силы здесь не так высока, как при измерениях с помощью силоизмерительных пластин. В этом состоит преимущество силоизмерительных пластин, которые, хотя и являются более дорогими, чем тензометрические датчики, показывают распределение силы на ортогональные компоненты. Силоизмерительные пластины используются, кроме прочего, для определения высоты прыжка и продолжительности контактной фазы, что необходимо при диагностике реактивной силы, контроле амортизационных качеств обуви, а также измерении координационной и стабилизирующей способности (Schlumberger, Schmidtbleicher, 2000; Wiek, 1998). Область применения силоизмерительных пластин довольно широка, например, их можно использовать также для анализа состояний утомления на основе особенностей походки (Jager et al., 2003). Кроме того, динамометрия является важной частью оценки нагрузки на организм во время занятий спортом.

Изокинетическое измерение силы [ править | править код ]

Особенностью изокинетических измерений является то, что они проводятся при неизменной скорости движения при выполнении упражнения. Это достигается при использовании определенной аппаратуры, которая, с одной стороны, контролирует постоянность скорости движения и, с другой — позволяет изменить сопротивление в соответствие с силой, которую развивает тренирующийся (Frobose, Nellessen, 1998). Значения силы определенных конечностей регистрируются на основе данных крутящего момента при соответствующих значениях угла в градусах и представляются в виде кривой. Преимущества изо-кинетической тренировки при работе с пациентами (Seidenspinner, 2005):

• сопротивление автоматически приводится в соответствие с болевыми ощущениями и со степенью утомляемости;

• сопротивление регулируется в соответствии с изменениями рычага приложения силы;

• возможна максимальная нагрузка на мышцу в полном объеме области движения (концентрического и эксцентрического типа).

При этом изокинетические системы должны как минимум обеспечивать возможность проводить измерения в области тазобедренных, коленных, голеностопных, локтевых и лучезапястных суставов (Verdonck, 1998). Кривые значений силы позволяют определить нарушение функций мышц и суставов. При этом проводится сравнительный анализ конечностей с правой и левой сторон, мышц-агонистов и антагонистов, а также сравнение полученных результатов с нормой (в соответствии с полом, возрастом, спортивной формой и т.д. (см. также Kraemer et al., 2006). Кроме того, целесообразно провести сравнение результатов измерений, полученных до и после тренировки или терапии.

Изометрическое измерение силы [ править | править код ]

Изометрическое измерение силы отличается тем, что оно определяется против непреодолимого сопротивления и при жестко установленных положениях суставов (Seidenspinner, 2005). Соответственно, угол между тестируемыми конечностями остается неизменным. При этом сила будет зависеть от определенного угла, поскольку от него, в свою очередь, зависит взаимное положение актина и миозина. Поэтому к определению углов суставов следует отнестись очень внимательно. Углы, при которых достигаются оптимальные значения силы, зависят от особенностей самого сустава и от того, находится ли конечность в выпрямленном или согнутом положении. В работе Кремера и соавт. (Kraemer et al., 2006) в качестве диапазона для оптимального развития силы представлены следующие данные: сгибание в локтевом суставе — 70-120°, разгибание в локтевом суставе — 90-120°, сгибание в тазобедренном суставе — 145-150°, разгибание в тазобедренном суставе — 40-50°, сгибание в коленном суставе — 130-170°, разгибание в коленном суставе — 80-130°. В соответствии с рекомендациями этих авторов, продолжительность одного теста при изометрических измерениях силы должна составлять как минимум 5 с для достижения максимальной силы. В связи с этим они указывают, что скорость развития максимальной силы также может влиять на высоту кривой силовых значений.

Преимуществами данного метода являются целенаправленное определение силы в зависимости от положения суставов, низкая стоимость измерительных систем и простота их использования. Кроме того, большим преимуществом является надежность результатов измерений, если они проводятся под соответствующим контролем. Недостатком данного метода могут быть предельные нагрузки, которые при максимальном напряжении оказывают воздействие на пассивный двигательный аппарат. Кроме того, по результатам изометрических измерений невозможно судить о показателях силы в процессе движения, т. к. данный метод не учитывает влияние координации (Verdonck, 1998). В связи с этим следует еще раз обратить внимание на возможные побочные явления при проведении (изометрического) тестирования максимальной силы (например, повышение АД, аритмию у пациентов с нарушениями сердечно-сосудистой системы и т.д.). Поэтому перед выполнением силового тестирования, а также началом силовых тренировок необходимо тщательное медицинское обследование и определение состояния здоровья. Кроме того, перед началом изометрического тестирования рекомендуется тщательная разминка (Boeckh-Behrens, Buskies, 2001; Kraemer et al 2006).

Источник

В чем измеряется работа силы

Слово «работа» имеет несколько значений: результат труда, действие механизма, любая деятельность или её готовый продукт. В чём измеряется работа, можно говорить лишь после того, как станет понятно, о каком процессе идёт речь. В физике рассматриваются такие её виды, как: механическая, термодинамическая или работа выхода – количество энергии, приданное отрицательно заряженной частице (электрону) для удаления его из твёрдого вещества.

Определение

Когда на тело действует некоторая сила, заставляющая его проделать путь в определённом направлении, есть смысл говорить о совершённой им полезной работе. Это физическая мера, в механике равна скалярному значению силы, влияющей на тело.

Важно! Работа напрямую зависит от того, куда и в какую сторону действует сила, от её количественного значения, а также от того, как далеко переместится объект, попавший под воздействие этой силы.

Работа силы, приложенной к материальной точке

Сила F→ постоянной величины и направления воздействует на точку. Траектория движения точки прямолинейная. Соответствующая A такой силы будет равна произведению её проекции F→ на направление перемещения (касательную) и длину элементарного смещения точки:

A = Fs*s = F*s*cos(F,s) = F→*s→ ,

где:

Как видно из формулы, это произведение скалярное.

Внимание! При таких вычислениях F→ пребывает неизменной в промежутке времени, за которое рассчитывается необходимая работа.

Такая формула справедлива только для прямолинейного перемещения точки и F→ = const. В противном случае рассчитать работу поможет интеграл:

тут интеграл второго рода является криволинейным и суммирует все перемещения по кривой. При этом необходимо принимать перемещения ds→ конечными, в итоге длину каждого сделать стремящейся к нулю.

Работа сил, приложенных к системе материальных точек

Возникает, когда необходимо измерить значение для сил, влияющих на систему реальных точек. Её можно получить путём сложения работ для сил, способствующих передвижению каждой точки такой системы.

Для случаев, когда тело не представляет собой систему, состоящую из дискретных точек, применяют его мысленное разбиение на элементы. Бесконечно маленький размер такого элемента позволяет считать его материальной точкой. Применение интегрирования вместо дискретной суммы даст возможность рассчитать значение A.

К сведению. Производить математические вычисления допустимо для нахождения работы не только одной определённой силы, но и для любого количества подобных сил, приложенных к точке или системе точек.

Кинетическая энергия

Это часть полной энергии, определяющая энергетику движения. В системе СИ измеряется в джоулях (Дж), в СГС – в эргах (эрг).

Как связать понятие работы с кинетической энергией? Формула кинетической энергии имеет вид:

В этой формуле физическая величина Ek равна 1/2 от массы тела, умноженной на скорость этого тела в квадрате.

Далее отображается работа сил, воздействующих на точку при помощи 2-го закона Ньютона. Формула закона позволяет через ускорение (а) выразить силу (F):

где:

• m – масса тела;
• a – ускорение тела.

Оперируя с кинематическими величинами и обратив внимание на формулу А = F*s, пробуют выразить желаемую взаимосвязь.

Случай прямолинейного ускоренного движения, где скорость и перемещение можно выразить формулой:

где:

• v1 – модуль вектора начальной скорости (в начале участка);
• v2 – модуль вектора конечной скорости (в конце участка).

Следует подставить значение величины перемещения s и F в формулу работы:

А = m*a*(v22-v21)/2a = m*v22/2 – m*v21/2.

Уменьшаемое или вычитаемое, отображаемые во второй части полученного равенства, имеют общий вид:

Это есть кинетическая энергия, её обычно обозначают – Ek.

Из всего этого следует, что работа, выполняемая над телом, равнодействующих сил, соответствует изменению Ek.

Следует запомнить! Когда сила давит на тело сонаправленно его движению, совершаемая ею работа положительна, и Ek > 0. Когда она приложена навстречу движению тела, тогда Ek Потенциальная энергия

Эта физическая характеристика является частью полной механической энергии. Описывает расположение тела в силовом поле (источнике силы). Причём эта величина может давать оценку только для целой системы. Она бесполезна для характеристики отдельных точек. При этом оценивается не величина, а ее изменение.

Единицей измерения является Дж или Эрг. Наиболее часто применяемые графические обозначения – U, Ep, W.

Различают следующие типы потенциальной энергии:

• в пределах земного притяжения;
• в зоне действия электростатических полей;
• в системах механической природы.

Для тела, расположенного поблизости от земной поверхности, формула имеет вид:

где:

• m – масса;
• g – ускорение свободного падения (9,8 м/с2);
• h – высота центра массы тела над нулевым уровнем.

Уровень нуля можно выбирать произвольно.

Электрически заряженная материальная точка, имеющая потенциал φ(r→), находясь в зоне электростатического поля, обладает потенциальной энергией Ер. Она вычисляется с помощью выражения:

где qp – электрический заряд, которым эта точка обладает.

В механических системах при упругих деформациях тела разные его точки взаимодействуют между собой. Такие взаимодействия можно охарактеризовать потенциальной энергией.

Упругая деформация может быть записана как:

Здесь k – это жёсткость (упругость), ∆x – величина смещения от равновесного положения.

Работа в термодинамике

В чем измеряется работа сил в термодинамике? Термодинамика рассматривает процессы преобразования системы, в результате которых меняется объём. При этом внутреннее изменение энергии тела есть работа. Лучше всего разобрать это на примере воздействия газа на поршень. Пусть газ давит на поверхность поршня с силой F→’. Она, согласно 3-му закону Ньютона, направлена в противоположную сторону той силе, с которой поршень воздействует на газ. Это значит, F→’ = — F→.

Под давлением газа (p) поршень начинает совершать перемещение ∆h. В случае, если оно мало, то можно говорить о том, что p = const. Тогда работа будет равна A’ = F’*∆h. Можно подставить сюда значение F’= p*S, где S – площадь поверхности, на которую давит газ. После этого выражение примет вид:

где ∆V – изменение объёма.

Важно! Работа положительная, если газ расширяется. Это обусловлено тем, что поршень движется в ту же сторону, куда направлена F→’. При сжимании газа его работа имеет отрицательное значение, потому как поршень перемещается в противоположную от F→’ сторону.

Работа силы в теоретической механике

При изучении в теоретической механике преобразований любых форм механического движения в иные типы движения используют понятие работы силы. При расчётах подразумевают, что и направление, и модуль этой силы F постоянны, выражение имеет вид:

A = F→*s→ = F*s*cos(F→,s→) = F*s*cos α.

От угла α зависит знак А, от направления зависит величина работы:

• если угол α между направлением силы и перемещением равен нулю, то A = F*s;
• работа А имеет положительное значение, если α меньше 900, и отрицательное, если он больше 900;
• при α = 900 между направлениями силы и перемещения работа равна нулю;
• при α = 0, когда направления F и s совпадают, А = F*s;
• при α = 1800 (сила и перемещение противоположны по направлению), А = — F*s.

Отдельными случаями в теоретической механике рассматривают воздействие сил при перемещениях точек по криволинейным траекториям и их вращениях по оси.

Размерность и единицы

Работа, совершаемая в процессах физики, имеет почти одинаковые обозначения, измерять её можно, зная единицы.

Основная единица измерения работы – 1 джоуль (Дж). Он равен:

1 Дж = 1 Н*м = 1 кг*м²/с².

1 эрг = 1 г*см²/с² = 1 дин*см = 10−7 Дж.

Работа двигателя внутреннего сгорания соразмерна тяге одной лошади. Одна лошадиная сила равна поднятию лошадью тяжести весом 75 кг. Хотя это не совсем верно. В данном случае речь идёт о мощности, это не что иное, как работа двигателя, выполняемая им ежесекундно.

(В*А*с) – это тоже единица измерения, работа, совершаемая электрическим током при перемещении заряженных зарядов по цепи за единицу времени. Сама формула пишется так:

где:

• U – напряжение, (вольт);
• I – ток (ампер);
• t – время (cекунда).

Сила трения, которая не только изнашивает трущиеся детали, но и помогает движению транспорта, также совершает определённую работу. Её выполняет и сила тяжести. На определение величины работы тех или иных сил влияют условия, при которых она совершается.

Видео

Источник