Какими свойствами обладает сила
Механическое взаимодействие – один из видов взаимодействия материи, способный вызвать изменение механического движения материальных тел.
Сила характеризует количественную сторону механического взаимодействия. Таким образом, когда говорят, что на тело действуют силы, то это значит, что на него воздействуют другие тела (или физические поля). Не всегда, впрочем, сила действительно приводит к изменению движению тела; такое изменение может блокироваться действием других сил. С учетом сказанного запишем:
Сила (ньютонова) – мера механического воздействия на некото- рое материальное тело со стороны другого материального тела (или физического поля); она характеризует интенсивность и направление этого воздействия. Это, разумеется, не определение, а лишь пояснение к понятию силы. Поскольку понятие силы – фундаментальное, то его точный смысл раскрывается в аксиомах механики.
Пока же мы отметим вот что. Оговорка “ньютонова” сделана потому, что в динамике мы встретимся с другими величинами, также именуемыми силами, которые, однако, не являются мерами механического взаимодействия. В этом же семестре речь будет идти именно о ньютоновых силах, и мы для краткости будем называть их просто силами.
Далее, под словом “мера” в механике и в физике понимается физическая величина, которая служит для количественного описания какого-либо свойства или отношения. В данном случае речь идет об описании именно механического взаимодействия (а бывают еще, как Вы знаете, и другие взаимодействия – тепло- вые, химические и прочие).
В физике элементарных частиц выделяют четыре фундаментальных взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти четыре взаимодействия лежат в основе всех наблюдаемых явлений – относящихся как к механике, так и к другим разделам естествознания.
Однако в макромире фундаментальные взаимодействия проявляются, как правило, опосредованно, и нам приходится иметь дело со значительно более широким перечнем взаимодействий (уже не обязательно фундаментальных). Если говорить о механических взаимодействиях, то речь может идти о силах различного происхождения.
Примеры сил: силы тяжести, силы упругости, архимедовы силы, силы сопротивления среды и др. В большинстве задач механики, впрочем, физическая природа тех или иных сил обычно интереса не представляет.
Ещe мы, поясняя понятие силы, говорили об интенсивности и направлении воздействия. Это означает, что сила является векторной величиной. Именно, это – вектор, приложенный к определeнной точке материального тела. Поэтому можно говорить о таких характеристиках силы.
Сила характеризуется:
1) величиной (модулем);
2) направлением;
3) точкой приложения.
К сожалению, на экзамене нередко приходится встречаться с полным пренебрежением к этому правилу. В лучшем случае экзаменатор в этой ситуации поступит так: вздохнет и попросит студента быстренько проставить обозначения векторов в тексте ответа на поставленный вопрос. Если студент не сумеет правильно проставить обозначения – это первый шаг на пути к получению “двойки”. Поэтому, пожалуйста, не игнорируйте в своих конспектах черту, если она написана на доске.
Круглые скобки с запятой в середине обозначают скалярное произведение векторов (запятая при этом разделяет сомножители). Обратите внимание: во многих книгах скалярное произведение обозначается иначе – точкой между век- торами, причем точку обычно можно опустить.
Но мы будем придерживаться именно таких обозначений (они тоже достаточно распространены). Помимо всего прочего, они позволяют избежать путаницы (ведь скалярное произведение векторов нужно отличать от обычного произведения двух скаляров).
Пока мы говорили только о векторе силы. Но понятие силы не сводится к понятию ее вектора. Важна еще и точка приложения силы: ведь если тот же по величине и направлению вектор силы приложить в другой точке тела, то его движение может измениться.
В геометрии принята следующая терминология. Свободный вектор (или просто вектор) – вектор, характеризуемый только модулем и направлением. Связанный вектор – вектор, характеризуемый еще и точкой приложения. Иногда используют такие обозначения.
Через u—.A обозначается связанный вектор, получаемый, если свободный вектор u— приложить в точке A. Обратите внимание: здесь точка пишется не в середине строки (как при умножении чисел), а на ее нижней линии. Таким образом, можно сделать следующий вывод. Итак, сила – связанный вектор (полное обозначение: F—-.A).
Там, где нам потребуется подчеркнуть наличие у силы определенной точки приложения, мы будем пользоваться именно этим полным обозначением. Там, где точка приложения силы будет заранее оговорена, мы будем применять сокращенное обозначение, обозначая силу просто F—- (т.е. так же, как и вектор силы). О точке приложения силы нужно сказать следующее: Если сила действует на материальную точку, то точкой приложения служит сама эта точка.
Если сила действует на материальное тело, то точкой приложения служит точка тела (она может меняться с течением времени). В общем случае точка приложения силы не может лежать вне тела. Если тело – абсолютно твердое, то данное ограничение можно снять; но об этом мы будем говорить позже.
Возникает вопрос: а как можно на практике задать точку приложения силы? Любую точку можно задать, например, ее радиус-вектором, проведенным из некоторого полюса. Полюс – произвольно выделенная точка (положение которой обычно предполагается известным).
Раз здесь говорится “обычно”, то текст в скобках Вы вполне можете игнорировать. Часто бывает так: взяли некоторую точку и объявили ее полюсом (и будет она с этого времени считаться таковым). Но для задания положения точки приложения силы нам как раз нужно знать положение полюса. Можно – но не обязательно – принять за полюс начало системы координат.
Употребляют оба обозначения, но первое предпочтительнее: вектор обозначается одной буквой, а буква “r” напоминает, что речь идет именно о радиус- векторе, или шестью скалярами (Fx , Fy , Fz , xA , yA , zA ). Это – удобно, и так поступают часто. Но задать силу можно также иным способом, который мы рассмотрим в следующем пункте.
Механическое взаимодействие – один из видов взаимодействия материи, способный вызвать изменение механического движения материальных тел.
Сила характеризует количественную сторону механического взаимодействия. Таким образом, когда говорят, что на тело действуют силы, то это значит, что на него воздействуют другие тела (или физические поля). Не всегда, впрочем, сила действительно приводит к изменению движению тела; такое изменение может блокироваться действием других сил. С учетом сказанного запишем:
Сила (ньютонова) – мера механического воздействия на некото- рое материальное тело со стороны другого материального тела (или физического поля); она характеризует интенсивность и направление этого воздействия. Это, разумеется, не определение, а лишь пояснение к понятию силы. Поскольку понятие силы – фундаментальное, то его точный смысл раскрывается в аксиомах механики.
Пока же мы отметим вот что. Оговорка “ньютонова” сделана потому, что в динамике мы встретимся с другими величинами, также именуемыми силами, которые, однако, не являются мерами механического взаимодействия. В этом же семестре речь будет идти именно о ньютоновых силах, и мы для краткости будем называть их просто силами.
Далее, под словом “мера” в механике и в физике понимается физическая величина, которая служит для количественного описания какого-либо свойства или отношения. В данном случае речь идет об описании именно механического взаимодействия (а бывают еще, как Вы знаете, и другие взаимодействия – тепло- вые, химические и прочие).
В физике элементарных частиц выделяют четыре фундаментальных взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти четыре взаимодействия лежат в основе всех наблюдаемых явлений – относящихся как к механике, так и к другим разделам естествознания.
Однако в макромире фундаментальные взаимодействия проявляются, как правило, опосредованно, и нам приходится иметь дело со значительно более широким перечнем взаимодействий (уже не обязательно фундаментальных). Если говорить о механических взаимодействиях, то речь может идти о силах различного происхождения.
Примеры сил: силы тяжести, силы упругости, архимедовы силы, силы сопротивления среды и др. В большинстве задач механики, впрочем, физическая природа тех или иных сил обычно интереса не представляет.
Ещe мы, поясняя понятие силы, говорили об интенсивности и направлении воздействия. Это означает, что сила является векторной величиной. Именно, это – вектор, приложенный к определeнной точке материального тела. Поэтому можно говорить о таких характеристиках силы.
Сила характеризуется:
1) величиной (модулем);
2) направлением;
3) точкой приложения.
К сожалению, на экзамене нередко приходится встречаться с полным пренебрежением к этому правилу. В лучшем случае экзаменатор в этой ситуации поступит так: вздохнет и попросит студента быстренько проставить обозначения векторов в тексте ответа на поставленный вопрос. Если студент не сумеет правильно проставить обозначения – это первый шаг на пути к получению “двойки”. Поэтому, пожалуйста, не игнорируйте в своих конспектах черту, если она написана на доске.
Круглые скобки с запятой в середине обозначают скалярное произведение векторов (запятая при этом разделяет сомножители). Обратите внимание: во многих книгах скалярное произведение обозначается иначе – точкой между век- торами, причем точку обычно можно опустить.
Но мы будем придерживаться именно таких обозначений (они тоже достаточно распространены). Помимо всего прочего, они позволяют избежать путаницы (ведь скалярное произведение векторов нужно отличать от обычного произведения двух скаляров).
Пока мы говорили только о векторе силы. Но понятие силы не сводится к понятию ее вектора. Важна еще и точка приложения силы: ведь если тот же по величине и направлению вектор силы приложить в другой точке тела, то его движение может измениться.
В геометрии принята следующая терминология. Свободный вектор (или просто вектор) – вектор, характеризуемый только модулем и направлением. Связанный вектор – вектор, характеризуемый еще и точкой приложения. Иногда используют такие обозначения.
Через u—.A обозначается связанный вектор, получаемый, если свободный вектор u— приложить в точке A. Обратите внимание: здесь точка пишется не в середине строки (как при умножении чисел), а на ее нижней линии. Таким образом, можно сделать следующий вывод. Итак, сила – связанный вектор (полное обозначение: F—-.A).
Там, где нам потребуется подчеркнуть наличие у силы определенной точки приложения, мы будем пользоваться именно этим полным обозначением. Там, где точка приложения силы будет заранее оговорена, мы будем применять сокращенное обозначение, обозначая силу просто F—- (т.е. так же, как и вектор силы). О точке приложения силы нужно сказать следующее: Если сила действует на материальную точку, то точкой приложения служит сама эта точка.
Если сила действует на материальное тело, то точкой приложения служит точка тела (она может меняться с течением времени). В общем случае точка приложения силы не может лежать вне тела. Если тело – абсолютно твердое, то данное ограничение можно снять; но об этом мы будем говорить позже.
Возникает вопрос: а как можно на практике задать точку приложения силы? Любую точку можно задать, например, ее радиус-вектором, проведенным из некоторого полюса. Полюс – произвольно выделенная точка (положение которой обычно предполагается известным).
Раз здесь говорится “обычно”, то текст в скобках Вы вполне можете игнорировать. Часто бывает так: взяли некоторую точку и объявили ее полюсом (и будет она с этого времени считаться таковым). Но для задания положения точки приложения силы нам как раз нужно знать положение полюса. Можно – но не обязательно – принять за полюс начало системы координат.
Употребляют оба обозначения, но первое предпочтительнее: вектор обозначается одной буквой, а буква “r” напоминает, что речь идет именно о радиус- векторе, или шестью скалярами (Fx , Fy , Fz , xA , yA , zA ). Это – удобно, и так поступают часто. Но задать силу можно также иным способом, который мы рассмотрим в следующем пункте.
«Силу человека можно определить как его способность преодолевать внешнее сопротивление посредством мышечных усилий» (Теория и методика физического воспитания. ФиС, 1967, с. 169).
Сила — одно из важнейших физических качеств в абсолютном большинстве видов спорта. Поэтому ее развитию спортсмены уделяют исключительно много внимания.
В зависимости от условий, характера и величины проявления мышечной силы в спортивной практике принято различать несколько разновидностей силовых качеств.
Чаще всего сила проявляется в движении, т. е. в так называемом динамическом режиме («динамическая сила»). Иногда же усилия спортсмена движением не сопровождаются. В этом случае говорят о статическом (или изометрическом) режиме работы мышц («статическая сила»).
По характеру усилий в динамической силе, в свою очередь, выделяют три разновидности (по В. Кузнецову):
— 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.
Абсолютная сила — предельное, максимальное усилие, которое спортсмен может развить в динамическом или статическом режиме. Примером проявления абсолютной силы в динамическом режиме является поднимание штанги или приседание со штангой предельного веса. В статическом режиме абсолютная сила может быть проявлена, например, когда максимальное усилие прилагается к неподвижному объекту («выжимание» неподвижно закрепленной штанги).
Относительная сила — величина силы, приходящаяся на 1 кг веса спортсмена. Этот показатель применяется в основном для того, чтобы объективно сравнить силовую подготовленность различных спортсменов.
Часто к силовым качествам спортсмена относят также и силовую выносливость — способность сравнительно длительно и многократно проявлять оптимальные (не предельные для данного спортсмена) усилия.
Силовая выносливость проявляется, прежде всего, в видах спорта циклического характера (гребля, плавание, бег и т. п.). Понятие силовой выносливости в этих видах спорта в значительной степени совпадает с представлением о специальной выносливости. Оба вида выносливости определяются в общих чертах сходными физиологическими механизмами, подчинены примерно одинаковым закономерностям развития. Поэтому особенности развития силовой выносливости рассматриваются в разделе «Воспитание выносливости».
Характерной особенностью силовой подготовки во всех видах спорта является то, что силовые качества должны развиваться в тесном комплексе между собой и с другими физическими качествами.
Например, в спринтерском беге на 60—100 м в равной мере проявляются взрывная сила, быстрота и ловкость, в спринтерском беге на 200 м к этому комплексу добавляется выносливость и т. д.
Почти все ведущие спортсмены, независимо от того, каким видом спорта они занимаются, отличаются высоким уровнем развития силы. Например, в таком упражнении, как подтягивание, где особенно ярко проявляется силовая подготовленность, обязательные контрольные нормативы для спортсменов сборных команд страны составляют: в современном пятиборье — 20 раз, в фехтовании — 16, в прыжках в воду — 14 (у мужчин) и 8 (у женщин), в гребле на байдарках и каноэ — 23 (у мужчин) и 10 (у женщин). В табл. 25 и 26 в качестве примера приведены некоторые показатели силовой подготовленности лучших борцов и пловцов страны.
Приведенные примеры дают достаточное представление о требованиях, предъявляемых к силовой подготовленности спортсменов высокого класса. Однако эти примеры ни в коем случае не должны создавать впечатления, что максимальное развитие силы является самоцелью. Задачи силовой подготовки следует рассматривать только в тесной связи с техникой, тактикой и уровнем выносливости, быстроты, ловкости и гибкости.
Вайцеховский С. М. Книга тренера. – М.: Физкультура и спорт, 1971. 312 с. С. 142-144.
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.