CHARAKTERYSTYKI
CHARAKTERYSTYKI
BEZWŁADNOŚCIOWE CIAŁA
BEZWŁADNOŚCIOWE CIAŁA
CZŁOWIEKA
CZŁOWIEKA
Ruch postępowy i obrotowy części ciała
Ruch postępowy i obrotowy części ciała
Kamil Podsiad, Łukasz Urbański
Kamil Podsiad, Łukasz Urbański
Budowa ukł. kostno-stawowego ogranicza
Budowa ukł. kostno-stawowego ogranicza
możliwości
możliwości
ruchowe części ciała w stawach wyłącznie do
ruchowe części ciała w stawach wyłącznie do
ruchów
ruchów
obrotowych. Oznacza to, że dwie sąsiednie części
obrotowych. Oznacza to, że dwie sąsiednie części
ciała połączone stawem mogą poruszać się
ciała połączone stawem mogą poruszać się
względem
względem
siebie jedynie ruchem obrotowym. Jednocześnie
siebie jedynie ruchem obrotowym. Jednocześnie
oś
oś
stawu – stanowiącego element złożonego
stawu – stanowiącego element złożonego
mechanizmu
mechanizmu
nazywanego łańcuchem kinematycznym – może
nazywanego łańcuchem kinematycznym – może
przemieszczać się w przestrzeni, wykonując ruch
przemieszczać się w przestrzeni, wykonując ruch
postępowy.
postępowy.
W efekcie więc mamy do czynienia ze
W efekcie więc mamy do czynienia ze
złożeniem
złożeniem
dwóch rodzajów ruchów: postępowego i
dwóch rodzajów ruchów: postępowego i
obrotowego.
obrotowego.
Nazywa się je ruchami niezależnymi z
Nazywa się je ruchami niezależnymi z
powodu ich
powodu ich
odmiennej natury, oraz przyczyn je
odmiennej natury, oraz przyczyn je
wywołujących-
wywołujących-
oznacza to, że nie mają one wspólnych
oznacza to, że nie mają one wspólnych
składowych,
składowych,
czyli że z jednego z nich nie można
czyli że z jednego z nich nie można
przedstawić jako
przedstawić jako
kombinacji drugiego.
kombinacji drugiego.
Dowolne ciało ( w tym ciało lub część ciała
Dowolne ciało ( w tym ciało lub część ciała
człowieka) w zasadzie może poruszać się
człowieka) w zasadzie może poruszać się
ruchem
ruchem
postępowym, obrotowym lub też dwoma
postępowym, obrotowym lub też dwoma
jednocześnie.
jednocześnie.
W tym ostatnim przypadku, gdy mamy do
W tym ostatnim przypadku, gdy mamy do
czynienia z
czynienia z
ruchem zawierającym składową postępową
ruchem zawierającym składową postępową
i
i
obrotową, mówimy, że ciało porusza się
obrotową, mówimy, że ciało porusza się
ruchem
ruchem
dowolnym.
dowolnym.
Można więc stwierdzić, że każdy ruch dowolny ciała (bryły
Można więc stwierdzić, że każdy ruch dowolny ciała (bryły
sztywnej)
sztywnej)
można przedstawić jako superpozycję (czyli złożenie) dwóch
można przedstawić jako superpozycję (czyli złożenie) dwóch
rodzajów ruchów niezależnych: postępowego i obrotowego.
rodzajów ruchów niezależnych: postępowego i obrotowego.
Ruch np.
Ruch np.
podudzia sprintera (a dokładnie jego składową w
podudzia sprintera (a dokładnie jego składową w
płaszczyźnie np.
płaszczyźnie np.
strzałkowej) można przedstawić w postaci sumy dwóch
strzałkowej) można przedstawić w postaci sumy dwóch
ruchów
ruchów
niezależnych: obrotowego względem osi poprzecznej stawu
niezależnych: obrotowego względem osi poprzecznej stawu
kolanowego
kolanowego
oraz postępowego, opisującego sposób przemieszczania się –
oraz postępowego, opisującego sposób przemieszczania się –
w
w
rozważanej płaszczyźnie –osi ruchu obrotowego.
rozważanej płaszczyźnie –osi ruchu obrotowego.
Ruch podudzia sprintera jako złożenie ruchu
Ruch podudzia sprintera jako złożenie ruchu
obrotowego względem osi 0 z prędkością w i
obrotowego względem osi 0 z prędkością w i
postępowego z
postępowego z
predkością v.
predkością v.
RUCH POSTĘPOWY: MODELE CIAŁ W RUCHU
RUCH POSTĘPOWY: MODELE CIAŁ W RUCHU
POSTĘPOWYM
POSTĘPOWYM
Ruch jest zjawiskiem polegającym na przemieszczaniu się
Ruch jest zjawiskiem polegającym na przemieszczaniu się
ciał
ciał
względem siebie. Stwierdzenie to zawiera sugestię
względem siebie. Stwierdzenie to zawiera sugestię
polegającą
polegającą
na tym, że aby rozstrzygnąć, czy interesujące nas ciało A
na tym, że aby rozstrzygnąć, czy interesujące nas ciało A
znajduje się w ruchu, należy obserwować jego położenie
znajduje się w ruchu, należy obserwować jego położenie
względem innego ciała B, które dla nas będzie stanowić
względem innego ciała B, które dla nas będzie stanowić
punkt
punkt
odniesienia. Tak przeprowadzona obserwacja pozwoli nam
odniesienia. Tak przeprowadzona obserwacja pozwoli nam
stwierdzić, czy interesujące nas ciało A znajduje się (lub nie)
stwierdzić, czy interesujące nas ciało A znajduje się (lub nie)
w ruchu względem ciała B. Opisana sytuacja przedstawia
w ruchu względem ciała B. Opisana sytuacja przedstawia
typowy sposób postępowania przy obserwacji, badaniu i
typowy sposób postępowania przy obserwacji, badaniu i
opisie
opisie
ruchu ciał, wyraża ona bowiem pewną fundamentalną
ruchu ciał, wyraża ona bowiem pewną fundamentalną
własność ruchu jako zjawiska, nazywaną względnością ruchu.
własność ruchu jako zjawiska, nazywaną względnością ruchu.
Do przeprowadzenia obserwacji (pomiaru i w efekcie opisu)
Do przeprowadzenia obserwacji (pomiaru i w efekcie opisu)
ruchu ciała
ruchu ciała
należy w sposób jednoznaczny określić układ odniesienia
należy w sposób jednoznaczny określić układ odniesienia
(traktowany
(traktowany
umownie jako nieruchomy), względem którego będą
umownie jako nieruchomy), względem którego będą
dokonywane
dokonywane
obserwacja i pomiary, od niego zależy bowiem obraz przebiegu
obserwacja i pomiary, od niego zależy bowiem obraz przebiegu
ruchu.
ruchu.
Zmiana ukł. odniesienia może powodować zmianę obrazu
Zmiana ukł. odniesienia może powodować zmianę obrazu
badanego
badanego
ruchu np. ruch podudzia sprintera obserwowany względem
ruchu np. ruch podudzia sprintera obserwowany względem
układu
układu
odniesienia związanego z udem jest ruchem obrotowym o
odniesienia związanego z udem jest ruchem obrotowym o
charakterze
charakterze
cyklicznym. Obraz ruchu tego samego podudzia, lecz uzyskany
cyklicznym. Obraz ruchu tego samego podudzia, lecz uzyskany
względem układu odniesienia związanego z podłożem, oprócz
względem układu odniesienia związanego z podłożem, oprócz
składowej obrotowej będzie zawierać również składową
składowej obrotowej będzie zawierać również składową
postępową.
postępową.
RUCH POSTĘPOWY
RUCH POSTĘPOWY
Ruchem postępowym nazywamy ruch, w
Ruchem postępowym nazywamy ruch, w
kórym
kórym
wszystkie punkty ciała poruszają się po
wszystkie punkty ciała poruszają się po
jednakowych i wzajemnie równoległych
jednakowych i wzajemnie równoległych
torach, w
torach, w
tych samych przedziałach czasu doznając
tych samych przedziałach czasu doznając
jednakowych przemieszczeń.
jednakowych przemieszczeń.
Ruchem postępowym może poruszać się ciało nie
Ruchem postępowym może poruszać się ciało nie
zmieniające swej geometrii, czyli sztywne, i skoro
zmieniające swej geometrii, czyli sztywne, i skoro
wszystkie jego punkty poruszają się po takich
wszystkie jego punkty poruszają się po takich
samych torach z jednakowymi prędkościami
samych torach z jednakowymi prędkościami
chwilowymi, to do opisu ruchu postępowego ciała
chwilowymi, to do opisu ruchu postępowego ciała
wystarczy obserwować i opisać ruch jednego z tych
wystarczy obserwować i opisać ruch jednego z tych
punktów. Wypływa stąd również wniosek: własności
punktów. Wypływa stąd również wniosek: własności
ciał w ruchu postępowym w sposób wystarczający
ciał w ruchu postępowym w sposób wystarczający
można modelować za pomocą punktu materialnego, w
można modelować za pomocą punktu materialnego, w
którym zbiegają się wszystkie siły działające na
którym zbiegają się wszystkie siły działające na
interesujące nas ciało.
interesujące nas ciało.
Skutki działania tych sił opisuje II zasada
Skutki działania tych sił opisuje II zasada
dynamiki
dynamiki
Newtona mówiąca, że przyspieszenie ,
Newtona mówiąca, że przyspieszenie ,
jakiemu
jakiemu
podlega ciało (punkt materialny) o masie
podlega ciało (punkt materialny) o masie
m, jest
m, jest
wprost proporcjonalne do działającej na
wprost proporcjonalne do działającej na
nie
nie
wypadkowej siły (sumy sił), a odwrotnie
wypadkowej siły (sumy sił), a odwrotnie
proporcjonalne do masy ciała m:
proporcjonalne do masy ciała m:
Mówiąc obrazowo, zasada ta powiada, że do
Mówiąc obrazowo, zasada ta powiada, że do
zmiany
zmiany
parametrów ruchu postępowego ciała (czyli
parametrów ruchu postępowego ciała (czyli
zmiany
zmiany
wartości, zwrotu lub kierunku prędkości)
wartości, zwrotu lub kierunku prędkości)
konieczne
konieczne
jest użycie siły, a uzyskane efekty będą zależały
jest użycie siły, a uzyskane efekty będą zależały
od
od
wartości użytej siły, czasu jej działania, a także
wartości użytej siły, czasu jej działania, a także
masy
masy
ciała. W formie ścisłej mówi o tym-wynikające z II
ciała. W formie ścisłej mówi o tym-wynikające z II
zasady dynamiki Newtona-twierdzenie o popędzie
zasady dynamiki Newtona-twierdzenie o popędzie
siły
siły
i zmianie pędu:
i zmianie pędu:
Ruch obrotowy; modele ciał
Ruch obrotowy; modele ciał
w ruchu obrotowym
w ruchu obrotowym
Ruchem obrotowym nazywamy taki ruch,
Ruchem obrotowym nazywamy taki ruch,
w którym
w którym
wszystkie punkty ciała przemieszczają się
wszystkie punkty ciała przemieszczają się
po okręgach
po okręgach
współśrodkowych, doznając w
współśrodkowych, doznając w
jednakowych
jednakowych
odstępach czasu tych samych
odstępach czasu tych samych
przemieszczeń
przemieszczeń
kątowych.
kątowych.
Z powyższej definicji wynika, że ruchem obrotowym
Z powyższej definicji wynika, że ruchem obrotowym
może poruszać się ciało sztywne, ruch odbywa się wokół
może poruszać się ciało sztywne, ruch odbywa się wokół
osi
osi
obrotu, zatem punkty ciała leżące na niej są nieruchome,
obrotu, zatem punkty ciała leżące na niej są nieruchome,
pozostałe zaś poruszają się z jednakowymi prędkościami
pozostałe zaś poruszają się z jednakowymi prędkościami
kątowymi. Miarą drogi przebytej w ruchu obrotowym jest
kątowymi. Miarą drogi przebytej w ruchu obrotowym jest
kąt
kąt
zakreślony przez promień łączący obserwowany punkt z
zakreślony przez promień łączący obserwowany punkt z
osią
osią
obrotu (wierzchołek tego kąta leży na osi obrotu). Z
obrotu (wierzchołek tego kąta leży na osi obrotu). Z
prostych
prostych
rozważań geometrycznych wynika, że do opisu ruchu
rozważań geometrycznych wynika, że do opisu ruchu
obrotowego ciała konieczna jest obserwacja co najmniej
obrotowego ciała konieczna jest obserwacja co najmniej
dwóch jego punktów, z których przynajmniej jeden musi
dwóch jego punktów, z których przynajmniej jeden musi
leżeć
leżeć
poza osią obrotu.
poza osią obrotu.
Przyczyną wywołującą ruchy obrotowe ciał
Przyczyną wywołującą ruchy obrotowe ciał
jest
jest
moment siły. Skutki działania momentów
moment siły. Skutki działania momentów
sił na ciała
sił na ciała
opisuje tzw. równanie ruchu obrotowego
opisuje tzw. równanie ruchu obrotowego
bryły
bryły
sztywnej:
sztywnej:
Treść tego równania można wyrazić następująco:
Treść tego równania można wyrazić następująco:
moment siły , działający na bryłę sztywną, nadaje
moment siły , działający na bryłę sztywną, nadaje
jej przyspieszenie kątowe o wartości wprost
jej przyspieszenie kątowe o wartości wprost
proporcjonalnej do działającego momentu siły, a
proporcjonalnej do działającego momentu siły, a
odwrotnie proporcjonalnej do momentu bezwładności
odwrotnie proporcjonalnej do momentu bezwładności
I.
I.
Łatwo zauważyć analogię występującą pomiędzy
Łatwo zauważyć analogię występującą pomiędzy
treścią równania ruchu obrotowego bryły sztywnej a II
treścią równania ruchu obrotowego bryły sztywnej a II
zasadą dynamiki Newtona (obowiązującą w ruchu
zasadą dynamiki Newtona (obowiązującą w ruchu
postępowym). To podobieństwo ma charakter
postępowym). To podobieństwo ma charakter
ograniczony, ponieważ, jak to zostanie wykazane w
ograniczony, ponieważ, jak to zostanie wykazane w
dalszej części naszych rozważań, istnieją sytuacje, w
dalszej części naszych rozważań, istnieją sytuacje, w
których owe analogie nie występują.
których owe analogie nie występują.
Z równania można wyprowadzić
Z równania można wyprowadzić
twierdzenie o
twierdzenie o
momencie pędu:
momencie pędu:
Twierdzenie to powiada, że
Twierdzenie to powiada, że
zmiana
zmiana
momentu pędu bryły
momentu pędu bryły
jest równa
jest równa
popędowi momentu siły
popędowi momentu siły
działającej na bryłę
działającej na bryłę
Szczególnym przypadkiem powyższego
Szczególnym przypadkiem powyższego
twierdzenia
twierdzenia
jest tzw. Zasada zachowania momentu
jest tzw. Zasada zachowania momentu
pędu,
pędu,
odnosząca się do sytuacji, w której
odnosząca się do sytuacji, w której
momenty sił
momenty sił
działające na bryłę sztywną znoszą się(lub
działające na bryłę sztywną znoszą się(lub
są równe
są równe
zeru). Zasada owa powiada, że:
zeru). Zasada owa powiada, że:
Czyli, że moment pędu bryły nie ulega zmianie. Należy
Czyli, że moment pędu bryły nie ulega zmianie. Należy
zwrócić
zwrócić
uwagę, że nie oznacza to, iż wartość prędkości kątowej musi być tu
uwagę, że nie oznacza to, iż wartość prędkości kątowej musi być tu
stała,
stała,
będzie ona bowiem ulegać zmianom wraz ze zmianą momentu
będzie ona bowiem ulegać zmianom wraz ze zmianą momentu
bezwładności
bezwładności
I
I
. w ogólniejszej postaci powyższe twierdzenie w
. w ogólniejszej postaci powyższe twierdzenie w
odniesieniu do układu ciał brzmi: jeżeli w układzie ciał działają tylko
odniesieniu do układu ciał brzmi: jeżeli w układzie ciał działają tylko
siły wewnętrzne (wypadkowy moment sił zewnętrznych względem
siły wewnętrzne (wypadkowy moment sił zewnętrznych względem
osi
osi
obrotu równy jest zeru), to całkowity moment pędu układu pozostaje
obrotu równy jest zeru), to całkowity moment pędu układu pozostaje
stały. Z twierdzenia tego wynika że jeżeli w układzie ciał, pod
stały. Z twierdzenia tego wynika że jeżeli w układzie ciał, pod
wpływem
wpływem
działania sił wewnętrznych, zmieni się moment bezwładności układu
działania sił wewnętrznych, zmieni się moment bezwładności układu
(przez zmianę położenia ciał wchodzących w jego skład w stosunku
(przez zmianę położenia ciał wchodzących w jego skład w stosunku
do
do
osi obrotu), to aby moment pędu układu pozostał stały, musi
osi obrotu), to aby moment pędu układu pozostał stały, musi
zmienić się jego prędkość kątowa. Z zasady tej, zresztą
zmienić się jego prędkość kątowa. Z zasady tej, zresztą
nieświadomie (o
nieświadomie (o
nie oznacza, że nie skutecznie) korzysta kot „spadający na cztery
nie oznacza, że nie skutecznie) korzysta kot „spadający na cztery
łapy”
łapy”
jeżeli nawet zacznie spadać grzbietem w dół, to
jeżeli nawet zacznie spadać grzbietem w dół, to
wprawiając w ruch obrotowy tylną część ciała wraz z
wprawiając w ruch obrotowy tylną część ciała wraz z
ogonem nadaje jej pewien moment pędu różny od zera.
ogonem nadaje jej pewien moment pędu różny od zera.
Aby sumaryczny moment pędu zwierzęcia pozostał
Aby sumaryczny moment pędu zwierzęcia pozostał
niezmienny, przednia część jego ciała wykonuje obroty
niezmienny, przednia część jego ciała wykonuje obroty
w kierunku przeciwnym, uzyskując moment pędu
w kierunku przeciwnym, uzyskując moment pędu
równoważący poprzedni. Jeżeli w układzie ciał działają
równoważący poprzedni. Jeżeli w układzie ciał działają
tylko siły wewnętrzne ( wypadkowy moment sił
tylko siły wewnętrzne ( wypadkowy moment sił
zewnętrznych względem osi obrotu równy jest zeru) to
zewnętrznych względem osi obrotu równy jest zeru) to
całkowity moment pędu układu pozostaje stały.
całkowity moment pędu układu pozostaje stały.
Moment bezwładności
Moment bezwładności
Moment bezwładności jest wielkością
Moment bezwładności jest wielkością
charakteryzującą bezwładność ciał w
charakteryzującą bezwładność ciał w
ruchu obrotowym. Aby wyznaczyć
ruchu obrotowym. Aby wyznaczyć
moment bezwładności ciała A względem
moment bezwładności ciała A względem
osi obrotu 0, należy podzielić ciało A na k
osi obrotu 0, należy podzielić ciało A na k
elementów o wielkich rozmiarach i
elementów o wielkich rozmiarach i
masach oraz wyznaczyć odległość
masach oraz wyznaczyć odległość
każdego z tych elementów od osi obrotu
każdego z tych elementów od osi obrotu
0; suma iloczynów mas kolejnych
0; suma iloczynów mas kolejnych
elementów i kwadratu ich odległości od
elementów i kwadratu ich odległości od
osi obrotu da nam wartość przybliżoną
osi obrotu da nam wartość przybliżoną
poszukiwanego momentu bezwładności
poszukiwanego momentu bezwładności
W uzupełnieniu do tej uproszczonej
W uzupełnieniu do tej uproszczonej
definicji należy
definicji należy
dodać, że dokładność tak wyznaczonej
dodać, że dokładność tak wyznaczonej
wartości
wartości
momentu bezwładności będzie tym lepsza,
momentu bezwładności będzie tym lepsza,
im większa
im większa
będzie liczba elementów
będzie liczba elementów
na które
na które
podzielone zostanie ciało A. ujmując
podzielone zostanie ciało A. ujmując
rzecz ściśle, dokładną wartość momentu
rzecz ściśle, dokładną wartość momentu
bezwładności wyliczymy wyznaczając
bezwładności wyliczymy wyznaczając
granice:
granice:
Twierdzenie o momencie
Twierdzenie o momencie
bezwładności
bezwładności
Z równania ostatniego wynika, że wartość
Z równania ostatniego wynika, że wartość
momentu bezwładności bryły zależy od
momentu bezwładności bryły zależy od
jej położenia względem osi obrotu. Jeżeli
jej położenia względem osi obrotu. Jeżeli
ciało A (przedstawione na kolejnym
ciało A (przedstawione na kolejnym
rysunku) zostanie odsunięte od osi
rysunku) zostanie odsunięte od osi
obrotu 0, to w myśl definicji jego moment
obrotu 0, to w myśl definicji jego moment
bezwładności wzrośnie, ponieważ
bezwładności wzrośnie, ponieważ
Analogicznie przybliżenie ciała A w kierunku
Analogicznie przybliżenie ciała A w kierunku
osi
osi
obrotu spowoduje zmniejszenie jego momentu
obrotu spowoduje zmniejszenie jego momentu
bezwładności. Efekt ten będzie zauważalny do
bezwładności. Efekt ten będzie zauważalny do
chwili,
chwili,
w której środek masy ciała znajdzie się na osi
w której środek masy ciała znajdzie się na osi
obrotu,
obrotu,
kiedy to moment bezwładności przyjmuje
kiedy to moment bezwładności przyjmuje
wartość
wartość
najmniejszą z możliwych. Tę szczególną jego
najmniejszą z możliwych. Tę szczególną jego
wartość
wartość
nazywamy centralnym momentem
nazywamy centralnym momentem
bezwładności.
bezwładności.
Moment bezwładności ciała A
Moment bezwładności ciała A
zależy od jego odległości od osi
zależy od jego odległości od osi
obrotu
obrotu
Znajomość wartości centralnego momentu ciała ma
Znajomość wartości centralnego momentu ciała ma
również zastosowanie praktyczne, pozwala bowiem na
również zastosowanie praktyczne, pozwala bowiem na
wyznaczenie jego momentu bezwładności względem
wyznaczenie jego momentu bezwładności względem
innej (tzn.nie przechodzącej przez środek masy), lecz
innej (tzn.nie przechodzącej przez środek masy), lecz
równoległej osi obrotu. Sposób, w jaki to można
równoległej osi obrotu. Sposób, w jaki to można
zrobić, objaśnia twierdzenie o momencie
zrobić, objaśnia twierdzenie o momencie
bezwładności (twierdzenie Steinera); Moment
bezwładności (twierdzenie Steinera); Moment
bezwładności bryły A względem osi 0’ jest równy
bezwładności bryły A względem osi 0’ jest równy
sumie jego momentu centralnego (względem osi 0,
sumie jego momentu centralnego (względem osi 0,
która jest równoległa do osi 0’) oraz iloczynu masy
która jest równoległa do osi 0’) oraz iloczynu masy
ciała i kwadratu odległości między osiami 0 i 0’
ciała i kwadratu odległości między osiami 0 i 0’
Ilustracja twierdzenia o
Ilustracja twierdzenia o
momencie bezwładności
momencie bezwładności
Zastosowanie twierdzenia Steinera do
Zastosowanie twierdzenia Steinera do
wyznaczenia momentu bezwładności
wyznaczenia momentu bezwładności
podudzia względem osi poprzecznej
podudzia względem osi poprzecznej
stawu kolanowego
stawu kolanowego
Moment bezwładności
Moment bezwładności
układu brył sztywnych
układu brył sztywnych
Wyobraźmy sobie układ kilku brył sztywnych
Wyobraźmy sobie układ kilku brył sztywnych
poruszający się ruchem obrotowym względem osi
poruszający się ruchem obrotowym względem osi
0’.
0’.
Każde ciało należące do układu ma względem osi
Każde ciało należące do układu ma względem osi
0’
0’
swoją wartość momentu bezwładności
swoją wartość momentu bezwładności
Moment bezwładności układu jest równy sumie
Moment bezwładności układu jest równy sumie
momentów bezwładności ciał należących do
momentów bezwładności ciał należących do
niego,
niego,
wyznaczonych względem tej samej osi 0’
wyznaczonych względem tej samej osi 0’
Wybrane przykłady
Wybrane przykłady
wykorzystania w sporcie
wykorzystania w sporcie
praw rządzących ruchem
praw rządzących ruchem
obrotowym
obrotowym
Ruchy obrotowe człowieka mogą być
Ruchy obrotowe człowieka mogą być
wykonywane
wykonywane
wokół osi ustalonych: ruchy kończyn w
wokół osi ustalonych: ruchy kończyn w
stawach,
stawach,
kołowroty, wychwyty na drążku itp., lub
kołowroty, wychwyty na drążku itp., lub
swobodnych:
swobodnych:
ruchy obrotowe w locie, salta, śruby, piruety na
ruchy obrotowe w locie, salta, śruby, piruety na
łyżwach itp.
łyżwach itp.
Moment bezwładności układu trzech
Moment bezwładności układu trzech
ciał jest sumą momentów bezwładności
ciał jest sumą momentów bezwładności
elementów układu wyznaczonych
elementów układu wyznaczonych
względem wspólnej osi 0’
względem wspólnej osi 0’
Ruchy obrotowe człowieka
Ruchy obrotowe człowieka
mogą odbywać się wokół osi
mogą odbywać się wokół osi
ustalonych i swobodnych
ustalonych i swobodnych
Osie swobodne to takie, które przechodzą przez środek masy i jednocześnie
Osie swobodne to takie, które przechodzą przez środek masy i jednocześnie
spełniają
spełniają
warunek, że moment bezwładności bryły (człowieka)względem nich jest
warunek, że moment bezwładności bryły (człowieka)względem nich jest
największy
największy
lub najmniejszy. Oś, w stosunku do której moment bezwładności (centralny) jest
lub najmniejszy. Oś, w stosunku do której moment bezwładności (centralny) jest
największy, jest osią stabilną. Oznacza to, że jeżeli ciało obracające się wokół tej
największy, jest osią stabilną. Oznacza to, że jeżeli ciało obracające się wokół tej
osi
osi
zostanie odchylone od niej momentem zewnętrznym , to siły odśrodkowe
zostanie odchylone od niej momentem zewnętrznym , to siły odśrodkowe
spowodują
spowodują
powrót ciała do poprzedniego położenia względem osi obrotu. Oś
powrót ciała do poprzedniego położenia względem osi obrotu. Oś
odpowiadająca
odpowiadająca
najmniejszemu momentowi bezwładności jest osią niestabilną, co oznacza, ze
najmniejszemu momentowi bezwładności jest osią niestabilną, co oznacza, ze
Jakiekolwiek zaburzenie powodujące zmianą jej położenia (np. odchylenie)
Jakiekolwiek zaburzenie powodujące zmianą jej położenia (np. odchylenie)
wywoła
wywoła
przejście ciała do obrotu wokół osi stabilnej, tj. osi największego momentu
przejście ciała do obrotu wokół osi stabilnej, tj. osi największego momentu
bezwładności. Wartości momentów bezwładności względem głównych osi ciała
bezwładności. Wartości momentów bezwładności względem głównych osi ciała
ludzkiego w kilku wybranych pozycjach zawiera tabela
ludzkiego w kilku wybranych pozycjach zawiera tabela
Zagadnienie ruchów obrotowych wokół osi swobodnych rozważmy
Zagadnienie ruchów obrotowych wokół osi swobodnych rozważmy
na
na
przykładzie tzw. przewrotu wolnego, który jest podstawowym
przykładzie tzw. przewrotu wolnego, który jest podstawowym
ćwiczeniem z grupy skoków akrobatycznych. W przebiegu czasowo
ćwiczeniem z grupy skoków akrobatycznych. W przebiegu czasowo
przestrzennym tych ćwiczeń możemy wyróżnić dwie zasadnicze
przestrzennym tych ćwiczeń możemy wyróżnić dwie zasadnicze
fazy:
fazy:
-fazę odbicia
-fazę odbicia
-fazę lotu
-fazę lotu
W fazie lotu zawodnik nie ma kontaktu z podłożem, wobec czego
W fazie lotu zawodnik nie ma kontaktu z podłożem, wobec czego
wypadkowy moment sił działających na jego ciało jest równy zeru
wypadkowy moment sił działających na jego ciało jest równy zeru
(pomijamy opory powietrza). Oznacza to, że może on wpływać na
(pomijamy opory powietrza). Oznacza to, że może on wpływać na
przebieg ruchu swego ciała, korzystając z zasady zachowania
przebieg ruchu swego ciała, korzystając z zasady zachowania
momentu
momentu
pędu (który w tej fazie ma wartość stałą), czyli sterować
pędu (który w tej fazie ma wartość stałą), czyli sterować
prędkością
prędkością
kątową przez zmianę momentu bezwładności swojego ciał
kątową przez zmianę momentu bezwładności swojego ciał
(względem
(względem
osi obrotu przechodzący, jak pamiętamy, przez środek masy
osi obrotu przechodzący, jak pamiętamy, przez środek masy
zawodnika),
zawodnika),
lub też –korzystając z momentu „kociego ogona” – wykonywać
lub też –korzystając z momentu „kociego ogona” – wykonywać
ruchy
ruchy
obrotowe np. kończynami górnymi.
obrotowe np. kończynami górnymi.
Warunkiem skutecznego wykonania skoku jest to,
Warunkiem skutecznego wykonania skoku jest to,
aby
aby
czas trwania fazy lotu pozwalał gimnastykowi na
czas trwania fazy lotu pozwalał gimnastykowi na
wykonanie pełnego obrotu (o kąt równy 2π) ciała.
wykonanie pełnego obrotu (o kąt równy 2π) ciała.
Zatem im krócej będzie trwała ta faza, z tym
Zatem im krócej będzie trwała ta faza, z tym
większą
większą
prędkością kątową ω będzie musiał odbywać się
prędkością kątową ω będzie musiał odbywać się
ruch
ruch
obrotowy gimnastyka a tym samym trudniej mu
obrotowy gimnastyka a tym samym trudniej mu
będzie spełnić powyższy warunek. O czasie trwania
będzie spełnić powyższy warunek. O czasie trwania
fazy lotu decydować będzie pęd w kierunku
fazy lotu decydować będzie pęd w kierunku
pionowym jaki uzyskuje zawodnik w fazie odbicia:
pionowym jaki uzyskuje zawodnik w fazie odbicia:
Również i prędkość kątowa zależeć
Również i prędkość kątowa zależeć
będzie od momentu pędu jaki zdoła
będzie od momentu pędu jaki zdoła
uzyskać gimnastyk
uzyskać gimnastyk
w fazie odbicia. Im większa będzie jego
w fazie odbicia. Im większa będzie jego
wartość,
wartość,
tym krócej będzie trwał pełny obrót ciała.
tym krócej będzie trwał pełny obrót ciała.
Przykład wartości momentu bezwładności
Przykład wartości momentu bezwładności
ciała człowieka w stosunku do głównych osi
ciała człowieka w stosunku do głównych osi
(wg. G. Hochmutha
(wg. G. Hochmutha
Z powyższych rozważań widać, że o pomyślnym
Z powyższych rozważań widać, że o pomyślnym
wykonaniu przewrotu wolnego (salta) decyduje faza
wykonaniu przewrotu wolnego (salta) decyduje faza
odbicia, w której zawodnik, wykorzystuje
odbicia, w której zawodnik, wykorzystuje
współdziałanie
współdziałanie
sił swoich mięśni oraz reakcji podłoża, stara się nadać
sił swoich mięśni oraz reakcji podłoża, stara się nadać
swojemu ciału możliwie duży pęd skierowany pionowo
swojemu ciału możliwie duży pęd skierowany pionowo
ku górze oraz uzyskać pewną wartość momentu pędu,
ku górze oraz uzyskać pewną wartość momentu pędu,
pozwalającą na wykonanie pełnego obrotu ciał w
pozwalającą na wykonanie pełnego obrotu ciał w
pozycji
pozycji
„
„
skupionej” (minimalny moment bezwładności
skupionej” (minimalny moment bezwładności
I
I
)
)
podczas trwania lotu.
podczas trwania lotu.
O powodzeniu wykonania wolnego obrotu ciała w
O powodzeniu wykonania wolnego obrotu ciała w
locie, czyli wobec osi swobodnej decyduje
locie, czyli wobec osi swobodnej decyduje
początkowy moment pędu oraz zdolność do
początkowy moment pędu oraz zdolność do
zmiany momentu bezwładności ciała,
zmiany momentu bezwładności ciała,
pozwalający w sposób kontrolowany zmieniać
pozwalający w sposób kontrolowany zmieniać
prędkość ruchu obrotowego
prędkość ruchu obrotowego
Prześledźmy sposób skutecznej realizacji tej
Prześledźmy sposób skutecznej realizacji tej
fazy na
fazy na
konkretnym przykładzie przewrotu wolnego w
konkretnym przykładzie przewrotu wolnego w
przód
przód
w pozycji kucznej. Na rysunku kolejnym
w pozycji kucznej. Na rysunku kolejnym
przedstawiono cyklokinogramy przewrotu
przedstawiono cyklokinogramy przewrotu
wolnego z
wolnego z
miejsca i z rozbiegu. Realizacje te różnią się od
miejsca i z rozbiegu. Realizacje te różnią się od
siebie
siebie
w sposób na tyle istotny, zwłaszcza w sposobie
w sposób na tyle istotny, zwłaszcza w sposobie
uzyskiwania momentu pędu, że warto zwrócić
uzyskiwania momentu pędu, że warto zwrócić
na to
na to
uwagę.
uwagę.
W przewrocie wolnym w przód z miejsca fazie
W przewrocie wolnym w przód z miejsca fazie
odbicia odpowiadają dwie pierwsze sylwetki. Na
odbicia odpowiadają dwie pierwsze sylwetki. Na
początku tej fazy zawodnik stara się uzyskać
początku tej fazy zawodnik stara się uzyskać
możliwie duży pęd skierowany pionowo ku górze.
możliwie duży pęd skierowany pionowo ku górze.
Siła reakcji podłoża R oraz suma sił ciężkości
Siła reakcji podłoża R oraz suma sił ciężkości
i bezwładności czyli
i bezwładności czyli
leżą na jednej prostej (moment sił od nich
leżą na jednej prostej (moment sił od nich
pochodzący jest równy zeru). Na końcu fazy
pochodzący jest równy zeru). Na końcu fazy
odbicia (sylwetka 2) siły
odbicia (sylwetka 2) siły
R
R
i
i
P
P
są przesunięte
są przesunięte
względem siebie, wobec czego tworzą parę sił,
względem siebie, wobec czego tworzą parę sił,
której moment wprowadza gimnastyka w ruch
której moment wprowadza gimnastyka w ruch
obrotowy (nadaje mu moment pędu). Warto
obrotowy (nadaje mu moment pędu). Warto
również zwrócić uwagę na szybki ruch obrotowy
również zwrócić uwagę na szybki ruch obrotowy
kończyn górnych w czasie fazy trwania odbicia;
kończyn górnych w czasie fazy trwania odbicia;
moment pędu związany z tym ruchem dodaje się
moment pędu związany z tym ruchem dodaje się
do poprzedniego zwiększając w ten sposób
do poprzedniego zwiększając w ten sposób
całkowity moment pędu gimnastyka
całkowity moment pędu gimnastyka
.
.
Cyklokinogram wolnego
Cyklokinogram wolnego
przewrotu w przód a) z
przewrotu w przód a) z
miejsca; b) z rozbiegu
miejsca; b) z rozbiegu
W przewrocie wolnym z rozbiegu sposób uzyskania początkowego
W przewrocie wolnym z rozbiegu sposób uzyskania początkowego
momentu pędu, a zatem zapoczątkowanie ruchu obrotowego opiera się
momentu pędu, a zatem zapoczątkowanie ruchu obrotowego opiera się
na innej zasadzie. Podczas rozbiegu zawodnik uzyskuje prędkość
na innej zasadzie. Podczas rozbiegu zawodnik uzyskuje prędkość
poziomą: przez unieruchomienie stóp na podłożu w fazie odbicia
poziomą: przez unieruchomienie stóp na podłożu w fazie odbicia
poziome składowe reakcji podłoża i sił bezwładności wytwarzają
poziome składowe reakcji podłoża i sił bezwładności wytwarzają
moment obrotowy którego wartość zależy min. Od prędkości rozbiegu,
moment obrotowy którego wartość zależy min. Od prędkości rozbiegu,
a
a
chwilowa oś obrotu znajduje się w punkcie zetknięcia stóp z podłożem.
chwilowa oś obrotu znajduje się w punkcie zetknięcia stóp z podłożem.
Moment ten w zasadzie działa na gimnastyka przez czas trwania całej
Moment ten w zasadzie działa na gimnastyka przez czas trwania całej
fazy odbicia (dłużej niż w przypadku poprzednim), wobec czego i
fazy odbicia (dłużej niż w przypadku poprzednim), wobec czego i
moment pędu, jaki uzyskuje zawodnik, jest większy niż poprzednio.
moment pędu, jaki uzyskuje zawodnik, jest większy niż poprzednio.
Świadczy o tym kierunek ruchu obrotowego kończyn górnych, który
Świadczy o tym kierunek ruchu obrotowego kończyn górnych, który
jest
jest
przeciwny do kierunku obrotów całego ciała w fazie lotu, czyli ze
przeciwny do kierunku obrotów całego ciała w fazie lotu, czyli ze
moment pędu kończyn odejmuje się od momentu pędu pozostałych
moment pędu kończyn odejmuje się od momentu pędu pozostałych
części ciała; nie przeszkadza to w pomyślnym wykonaniu pełnego
części ciała; nie przeszkadza to w pomyślnym wykonaniu pełnego
obrotu w fazie lotu. W tym opisie pominięto pęd uzyskany w fazie
obrotu w fazie lotu. W tym opisie pominięto pęd uzyskany w fazie
odbicia, konieczny do uniesienia ciała w górę.
odbicia, konieczny do uniesienia ciała w górę.
Przykładem ruchu obrotowego ciała człowieka wokół osi
Przykładem ruchu obrotowego ciała człowieka wokół osi
ustalonej może być kołowrót olbrzymi. Rozważamy warunki
ustalonej może być kołowrót olbrzymi. Rozważamy warunki
mechaniczne tego ćwiczenia. W ruchu tym następuje
mechaniczne tego ćwiczenia. W ruchu tym następuje
rozpraszanie energii mechanicznej przez tarcie (np. dłoni o
rozpraszanie energii mechanicznej przez tarcie (np. dłoni o
drążek) i opory powietrza. Co zatem powoduje, że gimnastyk
drążek) i opory powietrza. Co zatem powoduje, że gimnastyk
może wykonywać obroty wokół drążka, jakby do owych strat
może wykonywać obroty wokół drążka, jakby do owych strat
nie dochodziło?. Ktoś może odpowiedzieć, że zawodnik
nie dochodziło?. Ktoś może odpowiedzieć, że zawodnik
wykorzystując właśnie siłę tarcia pomiędzy drążkiem a
wykorzystując właśnie siłę tarcia pomiędzy drążkiem a
dłońmi, wytwarza siłę mięśni, np. zginaczy stawu
dłońmi, wytwarza siłę mięśni, np. zginaczy stawu
promieniowo nadgarstkowego, czyli moment siły
promieniowo nadgarstkowego, czyli moment siły
kompensujący stratę energii. Jeżeli byłaby to prawda to w jaki
kompensujący stratę energii. Jeżeli byłaby to prawda to w jaki
sposób mogą ten moment wytwarzać dzieci wykonujące
sposób mogą ten moment wytwarzać dzieci wykonujące
kołowrót na huśtawce, gdzie oś obrotu jest dobrze
kołowrót na huśtawce, gdzie oś obrotu jest dobrze
ułożyskowana (minimalne tarcie) i ponadto znajduje się poza
ułożyskowana (minimalne tarcie) i ponadto znajduje się poza
zasięgiem dłoni dziecka? Nie tu zatem tkwi rozwiązanie
zasięgiem dłoni dziecka? Nie tu zatem tkwi rozwiązanie
problemu. Może nam go dostarczyć dokładniejsza analiza
problemu. Może nam go dostarczyć dokładniejsza analiza
przebiegu ruchu: zauważamy, że przy wykonywaniu kołowrotu
przebiegu ruchu: zauważamy, że przy wykonywaniu kołowrotu
zawodnik wykonuje ruchy zginania i prostowania stawów
zawodnik wykonuje ruchy zginania i prostowania stawów
biodrowych. Zginanie odbywa się przy „podchodzeniu” do
biodrowych. Zginanie odbywa się przy „podchodzeniu” do
najwyższej pozycji, a prostowanie w jej pobliżu nieco później.
najwyższej pozycji, a prostowanie w jej pobliżu nieco później.
To zginanie i prostowanie powoduje przemieszczanie się
To zginanie i prostowanie powoduje przemieszczanie się
środka ciężkości zawodnika w kierunku do i od osi obrotu
środka ciężkości zawodnika w kierunku do i od osi obrotu
Oznacza to, że w najwyższym położeniu ponad
Oznacza to, że w najwyższym położeniu ponad
drążkiem w pozycji zgiętej energia potencjalna
drążkiem w pozycji zgiętej energia potencjalna
zawodnika jest mniejsza niż w pozycji
zawodnika jest mniejsza niż w pozycji
wyprostowanej. Podczas wykonywania obrotów
wyprostowanej. Podczas wykonywania obrotów
energia ta zmienia się w energie kinetyczną
energia ta zmienia się w energie kinetyczną
(całkowicie w pozycji, gdy środek ciężkości
(całkowicie w pozycji, gdy środek ciężkości
zawodnika przejmuje położenie najniższe), a
zawodnika przejmuje położenie najniższe), a
następnie ponownie w energię potencjalną. Część
następnie ponownie w energię potencjalną. Część
jej ulega rozproszeniu. Czyli, aby wykonać pełny
jej ulega rozproszeniu. Czyli, aby wykonać pełny
obrót, należy obniżyć poziom energii potencjalnej
obrót, należy obniżyć poziom energii potencjalnej
w położeniu najwyższym przy podchodzeniu (stąd
w położeniu najwyższym przy podchodzeniu (stąd
zginanie kończyn), a następnie, aby uzupełnić
zginanie kończyn), a następnie, aby uzupełnić
straty, ponownie (w okolicy położenia
straty, ponownie (w okolicy położenia
najwyższego), wykorzystując pracę mięśni
najwyższego), wykorzystując pracę mięśni
„podnieść” środek ciężkości, dodając tym samym
„podnieść” środek ciężkości, dodając tym samym
energii potencjalnej pozwalającej wykonać
energii potencjalnej pozwalającej wykonać
następny obrót.
następny obrót.
Tor ruchu środka ciężkości
Tor ruchu środka ciężkości
zawodnika wykonującego
zawodnika wykonującego
kołowrót olbrzymi
kołowrót olbrzymi
W przypadku ruchów obrotowych wykonywanych
W przypadku ruchów obrotowych wykonywanych
wokół osi swobodnych o przebiegu ruchu
wokół osi swobodnych o przebiegu ruchu
decyduje
decyduje
umiejętne wykorzystanie zasady zachowania
umiejętne wykorzystanie zasady zachowania
momentu
momentu
pędu. Mogą tu występować sytuację dwojakiego
pędu. Mogą tu występować sytuację dwojakiego
rodzaju:
rodzaju:
- zmiana prędkości kątowej ruchu przez zmianę
- zmiana prędkości kątowej ruchu przez zmianę
momentu bezwładności ciała
momentu bezwładności ciała
- wykonywanie ruchów obrotowych metodą
- wykonywanie ruchów obrotowych metodą
kociego
kociego
ogona.
ogona.
Przykładem pierwszego może być zmiana
Przykładem pierwszego może być zmiana
konfiguracji
konfiguracji
części ciała podczas wykonywania salta. Drugą
części ciała podczas wykonywania salta. Drugą
grupę
grupę
natomiast reprezentuje np. próba ratowania się
natomiast reprezentuje np. próba ratowania się
przed
przed
upadkiem skoczka narciarskiego przy
upadkiem skoczka narciarskiego przy
lądowaniu,
lądowaniu,
polegająca na wykonywania ruchów kończynami
polegająca na wykonywania ruchów kończynami
górnymi w płaszczyźnie strzałkowej,
górnymi w płaszczyźnie strzałkowej,
powodujących
powodujących
ruch pozostałej części ciała skoczka w kierunku
ruch pozostałej części ciała skoczka w kierunku
przeciwnym, zazwyczaj przywracającym je do
przeciwnym, zazwyczaj przywracającym je do
pionu.
pionu.
Symulowano liczbę możliwych obrotów ciała jakie
Symulowano liczbę możliwych obrotów ciała jakie
wykonuje gimnastyk podczas spadania (zeskoku)
wykonuje gimnastyk podczas spadania (zeskoku)
po wykonaniu kołowrotu olbrzymiego na drążku.
po wykonaniu kołowrotu olbrzymiego na drążku.
Wysokość z jakiej spada ciało, jest względnie
Wysokość z jakiej spada ciało, jest względnie
stała,
stała,
czas spadania wyznaczony przez przyspieszenie
czas spadania wyznaczony przez przyspieszenie
ziemskie jest ograniczony. Najlepsi gimnastycy
ziemskie jest ograniczony. Najlepsi gimnastycy
wykonują obecnie trzy obroty (salta) w czasie ok.
wykonują obecnie trzy obroty (salta) w czasie ok.
1,36 sekundy. Wykonanie czterech salt jest
1,36 sekundy. Wykonanie czterech salt jest
niemożliwe, jeżeli nie zmieni się warunków
niemożliwe, jeżeli nie zmieni się warunków
technicznych tj. wysokości lub elastyczności
technicznych tj. wysokości lub elastyczności
drążka
drążka
tak, by wydłużyć potrzebny czas spadania do ok. 2
tak, by wydłużyć potrzebny czas spadania do ok. 2
sekund.
sekund.
DZĘKUJEMY ZA
DZĘKUJEMY ZA
UWAGĘ
UWAGĘ