Рычаги в теле человека


Рычаги и маятники в теле человека

Разбиение тела человека на звенья позволяет представить их как механические рычаги и маятники, потому что все эти звенья имеют точки соединения, которые можно рассматривать либо как точки опоры (для рычага), либо как точки отвеса (для маятника).

Рычаг – всякое твердое тело, которое вращается около оси и на которое действуют две силы: одна движущая (сила мышц), другая – сила сопротивления. Рычаг характеризуется плечом — расстоянием между точкой приложения силы и точкой вращения.

Каждый рычаг имеет точку опоры – ось рычага, точки приложения двух взаимно противодействующих сил и плечи рычага.

В зависимости от расположения сил вращения различают рычаги 1, 2 и 3 рода.

В рычаге 1 рода (двуплечий рычаг) ось вращения находится между точками приложения сил и обе силы имеют одинаковое направление (череп).

Рычаг второго рода (одноплечий) имеет ось вращения на конце и точки приложения сил находятся по одну сторону от оси вращения. Приложенные силы имеют противоположные направления. Мышечная сила действует на короткое плечо рычага (рука с удержанием груза).

Рычаг третьего рода является одноплечим, но мышечная сила действует на длинное плечо рычага.

По сути костные рычаги являются составными, нагруженными на конце, в них сложные механизмы передачи работы мышц на плечи рычага.

«Золотое» правило механики: выигрывая в силе, проигрываешь в расстоянии и наоборот. Условно можно выделить рычаг скорости и рычаг силы в зависимости от того, что преобладает в их действиях. Рычаг скорости дает выигрыш в скорости при совершенствовании работы. Пример – локтевой сустав с грузом на ладони. Рычаг силы дает выигрыш в силе. Пример – стопа на пальцах.

Звено тела, продолжающее после разгона движение по инерции, имеет сходство с физическим маятником и для них применимы те же формулы, что и для простых механических маятников. Основные вывод их них – собственная частота колебаний не зависит от массы качающегося тела, но зависит от его длины (при увеличении длины частота колебаний уменьшается). Маятник в поле действия силы тяжести, выведенный из равновесия, сначала под действием момента силы тяжести качается вниз, а далее, затрачивая приобретенную кинетическую энергию, поднимается вверх по инерции. Период качения маятника: , где I – момент инерции маятника относительно оси, m —  его масса, g —  ускорение свободного падения, r —  радиус до центра масс.

Колебательные движения можно встретить при выполнении циклических движений, где многократно повторяется одинаковый ряд движений.

Делая частоту шагов при ходьбе или беге или гребков при плавании или гребле резонансной (т.е. близкой к собственной частоте колебаний руки или ноги), удается минимизировать затраты энергии. При наиболее экономичном сочетании частоты и длины шагов или гребков человек демонстрирует существенный рост работоспособности. Простой пример: при беге высокий спортсмен имеет большую длину шага и меньшую частоту шагов, чем более низкорослый спортсмен, при равной с ним скорости передвижения.

При воздействии на упруго-вязкую систему циклической нагрузки амплитуда отклика системы будет зависеть от соотношения между частотой воздействия и собственной частотой системы. Максимальную амплитуду перемещения системы можно наблюдать, если частота действия силы будет равна собственной частоте колебания мышечного компонента биомеханической системы. Это и есть резонанс. В этом случае значение силы, необходимой для получения заданной амплитуды, будут минимальными.

Известны собственные частоты колебания отдельных частей тела человека (Гц) глаза 12-17, горла – 6-27, грудной клетки – 2-12, рук и ног 2-8, головы – 8-27, живота 4-12. Большой разброс отражает различия в морфологии.



Слайд 1

Рычаги в теле человека Выполнила ученица 5 класса Б МОУ СОШ № 45 г. Т вери Пальчикова Софья Руководитель: учитель физики Жирнова С.В.

Слайд 2

Цель работы: выяснить, где находятся и как действуют механизмы рычагов в теле человека.

Слайд 3

Задачи: 1. Выяснить, что такое рычаг. 2. Изучить литературу, касающуюся строения скелета и мышц, отвечающих за действие «рычагов » в организме человека.

3. Изучить расположение и измерить некоторые физические параметры костей человеческого скелета. 4. Вычислить силу, необходимую для поднятия портфеля учеником 5 класса.

Слайд 4

Рычаг – это простейший механизм, позволяющий меньшей силой уравновесить большую; представляет собой твёрдое тело, вращающееся вокруг неподвижной опоры.

Слайд 5

ПРИМЕНЕНИЕ РЫЧАГОВ

Слайд 6

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Сила, F — физическая величина, являющаяся мерой взаимодействия тел .

Плечо силы, L – кратчайшее расстояние между точкой опоры и прямой линией, вдоль которой действует сила . Условие равновесия рычага: «Золотое правило механики» : во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии .

Слайд 7

Рычаги в теле человека Рычажными механизмами в скелете человека являются почти все кости, имеющие некоторую свободу движения: кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры — первый позвонок), фаланги пальцев.

Слайд 8

Главные кости и мышцы руки человека Основными рабочими мышцами руки являются бицепс и трицепс.

Когда человек поднимает одной рукой предмет, бицепс сокращается, а трицепс удлиняется.

Слайд 9

Ось вращения черепа проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на коротком плече действует сила тяжести головы, позади – сила F тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости. Действие стопы при подъеме на полупальцы. Опорой рычага в этом случае служит головка плюсневых костей . Преодолеваемая сила – вес тела, приложена к таранной кости.

Мышечная сила , осуществляющая подъем тела , передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пятки.

Слайд 10

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Слайд 11

Практическая часть Поднимая груз на согнутой руке, мы получаем выигрыш в расстоянии, т.к.

перемещение мышцы гораздо меньше перемещения груза. Тогда, по золотому правилу механики, мы должны проигрывать в силе.

То есть сила, которую мы прикладываем, должна быть намного больше веса поднимаемого тела. Для проверки этой гипотезы мы использовали математические вычисления и… портфель пятиклассника.

Слайд 12

Пусть m – это масса нашего портфеля, L 1 — длина локтя, L 2 – расстояние от локтя до места присоединения бицепса ( как правило, L 2 = 4 см) F – сила, действующая со стороны бицепса на локтевой сустав. Найдем эту силу Масса среднестатистического портфеля пятиклассника оказалась равной 4 кг.

Вес портфеля найдем по формуле: Р = mg , где g – ускорение свободного падения, равное 10 . Р = 40 Н Согласно «золотому правилу механики», Тогда F = Длина локтя L 1 = 21 см = 0,21 м Масса портфеля m = 4 кг расстояние от локтя до места присоединения бицепса L 2 = 4 см = 0,04 м.

Рычаги и маятники в теле человека

F = = 210 Н Вывод: поднимая портфель весом 40 Н, мы развиваем силу в 210 Н. То есть проигрываем в силе более, чем в 5 раз! К 11 классу мы разовьем завидную мускулатуру!

Слайд 14

Заключение Во время работы над проектом я узнала: что такое рычаг, где находятся рычаги в организме человека; выяснила, что они приводятся в движение мышцами. Кроме того, мне удалось рассчитать, какую силу развивает бицепс пятиклассника при поднятии своего портфеля.

РЫЧАГИ В ТЕЛЕ ЧЕЛОВЕКА

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение

Организм человека – очень сложный «механизм».

В нем можно найти, в том числе, и простые механизмы с точки зрения физики. Оказывается, все суставы в теле человека – это рычаги.

Именно они помогают нам быть подвижными и выполнять огромное количество движений. А значит, чтобы мы долго могли оставаться физически молодыми, нужно знать, где они, как работают. И самое главное, как сделать так, чтобы они служили нам долго и хорошо. Давайте разберемся, что же такое рычаг, кто его изобрел, где они в теле человека и как работают.

Цель работы — исследование рычага как механизма в теле человека.

Задачи:

1. Найти и изучить информацию по теме проекта.

2. Изготовить продукт проекта – модель рычага, на нем изучить принцип действия сустава.

3.

Найти и изучить рычаги в теле человека.

4. Создать презентацию по теме проекта и выступить на окружной конференции, а также перед одноклассниками при изучении этой темы на уроке физики.

5. Создать буклет с упражнениями для укрепления суставов и мышц.

Глава 1. История создания рычага.

Человек стал использовать рычаг ещё в доисторические времена, интуитивно понимая его принцип. Такие инструменты, как мотыга или весло, применялись, чтобы уменьшить силу, которую необходимо было прикладывать человеку. В пятом тысячелетии до нашей эры в Месопотамии применялись весы, использовавшие принцип рычага для достижения равновесия.

Позже, в Греции, был изобретён безмен, позволивший изменять плечо приложения силы, что сделало использование весов более удобным. Около 1500 года до н. э. в Египте и Индии появляется шадуф (колодец с «журавлём»), прародитель современных кранов, устройство для поднимания сосудов с водой.

Неизвестно, пытались ли мыслители тех времён объяснить принцип работы рычага. Первое письменное объяснение дал в III веке до н.

э. Архимед, связав понятия силы, груза и плеча. Закон равновесия, сформулированный им, используется до сих пор и звучит так: «Усилие, умноженное на плечо приложения силы, равно нагрузке, умноженной на плечо приложения нагрузки, где плечо приложения силы — это расстояние от точки приложения силы до опоры, а плечо приложения нагрузки — это расстояние от точки приложения нагрузки до опоры».

По легенде, осознав значение своего открытия, Архимед воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!»

Рис. 1: Гравюра из «Журнала механики», изданного в Лондоне в 1842 году, изображающая Архимеда, переворачивающего Землю с помощью рычага.

Глава 2. Рычаги

2.1. Устройство и принцип действия рычага

Рычаг (рис.1) — твёрдое тело, способное вращаться вокруг неподвижной опоры.

На практике роль рычага могут играть палка, доска, лом и т.п. Любой рычаг имеет точку опоры и плечо. Плечо силы – кратчайшее расстояние между точкой опоры и прямой, вдоль которой действует сила. Обозначается буквой l.

Условие равновесия рычага: рычаг находится в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил.

Рис. 2Рис. 3

Именно это правило равновесия рычага и вывел Архимед (рис.3). Рычаг используется для получения большего усилия на коротком плече с помощью меньшего усилия на длинном плече (или для получения большего перемещения на длинном плече с помощью меньшего перемещения на коротком плече). Сделав плечо рычага достаточно длинным, теоретически, можно развить любое усилие. Прикладывая к длинному рычагу некоторую силу, можно другим концом рычага поднимать груз, вес которого намного превышает эту силу.

Это означает, что используя рычаг, можно получить выигрыш в силе.

2.2. Типы рычагов

По строению можно выделить рычаги трех типов:

  • В рычаге первого типа (рис.4) точки приложения сил лежат по разные стороны от точки опоры. Одна из сил пытается вернуть рычаг по часовой стрелке, другая — против часовой стрелки. Для того, чтобы получить выигрыш в силе, нужно, чтобы плечо, к которому приложена сила, было длиннее плечо нагрузки.

    Рис. 4

  • В рычаге второго типа (рис.5) обе точки приложения сил лежат по одну сторону от точки опоры и груз имеет меньше плечо. Чтобы поднять груз, необходимо направить силу вверх. Примеры таких рычагов — тачка, лом.

Рис. 5

  • В рычаге третьего типа (рис.6) обе точки приложения сил лежат по одну сторону от точки опоры, но тяжесть имеет большее плечо.

    При этом нужно прикладывать силу, превышающую груз. Пример такого рычага — ложка.

Рис. 6

Глава 3. Рычаги в теле человека

Но какую роль играет рычаг в теле человека?

Разбиение тела человека на звенья позволяет представить их как механические рычаги, потому что все эти звенья имеют точки соединения, которые можно рассматривать как точки. Рычажными механизмами в скелете человека являются почти все кости, имеющие некоторую свободу движения: кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры — первый позвонок), фаланги пальцев. Основными рабочими мышцами руки являются бицепс и трицепс.

Когда человек поднимает одной рукой предмет, бицепс сокращается, а трицепс удлиняется.

3.1. Голова человека

Ось вращения черепа проходит через сочленение черепа с первым позвонком (рис.7).

Спереди от точки опоры на коротком плече действует сила тяжести головы, позади – сила F тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.

Рис. 7

3.2. Нога человека

Действие стопы при подъеме на полупальцы (рис.8). Опорой рычага в этом случае служит головка плюсневых костей. Преодолеваемая сила – вес тела, приложена к таранной кости. Мышечная сила, осуществляющая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пятки.

Рис. 8

3.3. Рука человека

Почему человеческая рука представляет собой столь со­вершенный рычаг?

(рис. 9) На первый взгляд этот рычаг может по­казаться, напротив, весьма несовершенным. Под действием силы двуглавой мышцы рычаг-рука поднимает груз, находя­щийся на ладони. Точка приложения силы Fнаходится на расстоянии ОВ = 3 см от точки опоры (от локтевого суста­ва), а точка приложения силы тяжести Р — на расстоянии ОС = 30 см. Условие равновесия для рассматриваемого ры­чага имеет следующий вид: FOB= РОС.

Отсюда следует, что F= Р ( ) = 10 Р. Таким образом, чтобы удержать груз, необходимо усилие мышцы, в десять раз превышающее силу тяжести груза. Не говорит ли это о несовершенстве руки-рычага?

Рис. 9

Легко сообразить, что такое устройство руки-рычага яв­ляется как раз весьма совершенным.

То, что мы проигры­ваем здесь в силе, не имеет особого значения, — мышца обладает достаточно большой силой. Зато очень важно то, что, проигрывая в силе, мы выигрываем в других отноше­ниях.Небольшое сокращение длины мышцы позволяет в данном случае осуществить значительное перемещение ла­дони с грузом (мы можем поднять груз даже к плечу).

Кро­ме того, мы выигрываем в скорости перемещения. Мышцы не могут очень быстро сокращаться. К счастью, при таком рычаге этого и не требуется, поскольку скорость перемеще­ния ладони с грузом оказывается в 10 раз больше скорости сокращения мышцы.

Итак, проигрывая в 10 раз в силе, мы во столько же раз выигрываем в длине и скорости перемеще­ния груза. Вообразим на минуту, что мышца была бы при­креплена, например, в середине лучевой кости. Такой рычаг позволял бы нам удерживать и поднимать в 5 раз более тяжёлые грузы.

Но зато мы бы в 5 раз проиграли в высоте и скорости подъёма. Если сейчас мы можем поднять груз за одну пятую секунды, то в рас­сматриваемом случае нам потребовалась бы для этого целая секунда.

К тому же, какими поистине уродливыми сделались бы наши конечности! Кому нужен выигрыш в силе, если он достигается ценой утраты подвижности, свободы перемеще­ний, изящности строения тела?

Именно потому, что приро­да предпочла проиграть в силе, наши конечности оказались столь совершенными рычагами.

Глава 4. Укрепление суставов и мышц

Но каким бы совершенным не был человек, нужно стремиться поддерживать это совершенство. Для этого всего лишь требуется выполнять определенный комплекс упражнений, а самое главное – правильно питаться и вести здоровый образ жизни!(рис.10)

Всем нам известны важные функции суставов, которые обеспечивают движение и полноценную жизнь.

Физические упражнения помогают укрепить Рис. 10 суставы, защитить от преждевременного старения (износа). Некоторые упражнения даже способны снять или уменьшить суставную боль. Если выполнять упражнения для укрепления суставов ежедневно, то улучшится состояние мышц, связок, сухожилий вокруг сустава, которые будут поддерживать сам сустав и делать его сильным, здоровым, защищённым.

Предлагаю вашему вниманию комплекс упражнений для укрепления мышц и суставов. Я уверена, что эти упражнения вам знакомы. Внимание! Есть противопоказания, нужно посоветоваться с врачом.

Заключение

Природа создала человека совершенным с точки зрения физики, а конкретно использования рычага. Нам, людям, остается только брать у природы все самое ценное и важное. В результате такой работы сегодня ученые разработали универсальные, очень удобные протезы для людей (рис.10, 11): руки и ноги.

Они сегодня настолько совершенны, что их сложно отличить от настоящих.

Рис. 10Рис. 11

И в робототехнике используются знания о строении суставов человека, что позволяет создать роботов, не отличимых от людей (рис.12).

Рис. 12

Разработаны специальные упражнения по укреплению мышц, но зачем их выполнять?

Рычаги в теле человека

Дело в том, что если вести ленивый образ жизни, то могут возникнуть проблемы со здоровьем, а укрепление именно таких мышц особенно необходимо. А главное, ученые и врачи доказали, что двигательная активность стимулирует развитие умственных способностей человека, а значит, помогает лучше учиться!

Подводя итог всему выше сказанному, можно сделать вывод о том, что все поставленные задачи работы были решены:

  • Я подобрала необходимую информацию по теме

  • Нашла рычаги в теле человека и исследовала их

  • Сделала модель сустава и изучила его

  • Нашла упражнения для укрепления суставов и мышц.

Цель достигнута. Мою работу можно использовать на уроках физики при изучении темы «Простые механизмы» в 7 классе. Продолжением и углублением данной работы может стать исследование влияния нагрузки на работу мышц и суставов человека. Для себя я сделала такой вывод: чтобы быть в хорошей физической форме, нужно систематически выполнять упражнения для суставов и мышц.

Библиографический список

  1. Генденштейн Л.

    Э. «Физика. 7 класс» — М.: Мнемозина, 2012 — 255 с.

2. Рычаг/ [Электронный ресурс] // Интернет — сайт «ВикипедиЯ» Режим доступа https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D1%8B%D1%87%D0%B0%D0%B3

3. Рычаги и маятники в теле человека / [Электронный ресурс] // Интернет – сайт «Биофайл» Режим доступа http://biofile.ru/bio/16186.html

4.

Простые механизмы и применение: рычаг, равновесие сил на рычаге / [Электронный ресурс] // Интернет – сайт «Надо5» Режим доступа http://www.nado5.ru/e-book/prostye-mekhanizmy-rychag

5. Упражнения для укрепления суставов / Электронный ресурс // Интернет – сайт «Излечим все» Режим доступа http://izlechimovse.ru/uprazhneniya-dlya-ukrepleniya-sustavov

14

Просмотров работы: 1801

Сергеева Ирина Валентиновна 1

Главная → Анатомия человека → Общая миология -> Работа мышц

Работа мышц

Работу мышц рассматриваются с позиции общих законов механики, где под работой понимается перемещение тела или груза на расстояния под действием силы, которая на него действует. Работа численно определяется как произведение силы мышцы на расстояние, на которое переместился объект под действием силы и выражается в килограмометрах.

Работу мышц разделяют на преодолевательную, поступательную и удерживающую. Мышца выполняет преодолевательную работу тогда, когда она преодолевает сопротивление, перемещает тело, осуществляет поднятие тяжести или перемещение тела по поверхности. При поступательной работе мышца находится в напряженном состоянии, постепенно растягивается и действием второй силы уступает действия этой силы.

Этот вид работы мышц является важным и необходимым для обеспечения плавности и эластичности движений. Работу мышц разделяют также на статическую и динамическую. При статической работе часть мышц напрягается и пытается уравновесить момент силы тяжести или силы сопротивления, это наблюдается при выравнивании или хранении положения тела и его частей. При этом мышца не сокращается, не продлевается, а только напрягается.

Статическая работа мышц необходима для сохранения вертикального положения тела, или осанки. Динамическая работа мышц делится на преодолевательную и поступательную.
Виды работы мышц в процессе построения движений часто чередуются. Примером может служить отведение руки в сторону, когда дельтовидная мышца выполняет преодолевательную работу; при удержании руки в горизонтальном положении выполняется статическая работа мышцы — удерживающая, при медленном приведении руки к туловищу — поступательная.

Таким образом, при каждой разновидности движения на первый план выступает тот или иной вид работы.
Работу опорно-двигательного аппарата рассматривают как систему рычагов. Рычагом называется всякое твердое тело, способное выполнять вращательные движения вокруг оси, на плечо которого действуют две противоположные силы: двигательная сила (мышечного сокращения) и сила сопротивления.

В зависимости от величины двигательной силы и силы сопротивления возможно равновесие или движение рычага. В зависимости от размещения мышечного сокращения и силы сопротивления относительно оси вращения различают рычаги первого, второго и третьего рода.
Рычаг первого рода, или рычаг равновесия является двуплечевым.

В нем две силы расположены на концах рычага и направлены в одну сторону. Примером рычага равновесия является атланто-затылочное соединение и тазобедренный сустав.
Рычаг второго рода, или рычаг силы является одноплечевым. В нем приложенная сила имеет противоположные направления. Двигательная сила приложена на длинное плечо рычага, а сила сопротивления — на короткое плечо.

Примером рычага силы является голеностопный сустав, где одна сила действует вверх, а другая — вниз. Давление, которое возникает в оси вращения рычага, соответствует разнице действующих сил.
Рычаг третьего рода, или рычаг скорости является одноплечевым. Рычаг скорости отличается от рычага силы тем, что сила мышечной тяги, приложенная близко возле точки сопротивления, образует меньшее плечо по сравнению со вторым плечом, на конце которого действует сила тяжести.

Примером рычага скорости может служить локтевой сустав. При выполнении сгибания в локтевом суставе длинное плечо силы — предплечья осуществляет больший объем движений, чем короткое плечо силы, которое идет от лучевой бугристости до локтевого сустава. Таким образом, при действии на короткое плечо мышца выигрывает в скорости и расстояния, но проигрывает в силе.
Пара сил. Для осуществления вращательных движений вокруг сустава необходима пара сил, то есть совокупность двух равных параллельных сил, направленных в противоположные стороны.

Кратчайшее расстояние между линиями действия сил называется плечом пары. Таким кратчайшим расстоянием является перпендикуляр, опущенный из точки приложения одной силы на направление другого.

Рычаги тела человека

Примером пары сил может служить сгибание предплечья в локтевом суставе двуглавой мышцей. Одной силой является сила мышцы, второй силой является сопротивление сустава со стороны плечевой кости, направленной в противоположную сторону.
Параллелограмм сил. Располагаясь под углом друг к другу, мышцы тянут кость в двух разных направлениях, равнодействующая этих сил выражается диагональю параллелограмма, построенного на этих силах.

Например, направление тяги каждого из таких мышц (которые наиболее крупные), приводящих плечо (большая грудная мышца и широчайшая мышца спины), не совпадают с направлением движения при приведении плеча. Кроме того, не существует направления силы тяги, которое полностью совпадало бы с направлением движения при приведении плеча, когда это движение осуществляется во фронтальной плоскости.
Таким образом, две мышцы, образуя между собой параллелограмм сил, заменяют отсутствующую мышцу, которая необходима для выполнения этого движения.

Правило параллелограммы сил относится не только к двум мышцам, но и в нескольких других, которые тянут кость в разных направлениях.
категории раздела

Вам также может понравиться

Об авторе admin

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *