Основные силы, имеющие место при выполнении физических упражнений.
Сила тяжести тела, находящегося вблизи поверхности земли, может быть определена массой тела m и ускорением свободного падения g:
F = mg (2.30)
Сила тяжести, действующая на физическое тело со стороны земли, всегда направлена вертикально вниз и приложена в общем центре тяжести тела.
Сила реакции опоры действует на физическое тело со стороны поверхности опоры и может быть разложена на две составляющие — вертикальную и горизонтальную. Горизонтальная в большинстве случаев представляет собой силу трения, закономерности которой будут рассмотрены ниже. Вертикальная реакция опоры численно определяется следующим соотношением:
R = mа + mg (2.31)
где а — ускорение центра масс тела, находящегося в контакте с опорой.
Сила трения. Сила трения может проявлять себя двояко. Это может быть сила трения, возникающая при ходьбе и беге, как горизонтальная реакция опоры. В таком случае, как правило, звено тела, взаимодействующее с опорой, не перемещается относительно последней, и сила трения называется "силой трения-покоя". В других случаях имеет место относительное перемещение взаимодействующих звеньев, и возникающая сила представляет собой силу трения-скольжения. Следует отметить, что существует сила трения, воздействующая на перекатываемый объект, например, на мяч или колесо — трение-качения, однако, численные соотношения, определяющие величину такой силы, аналогичны имеющим место при трении-скольжении, и мы не будем рассматривать их отдельно.
Величина трения-покоя равна величине прилагаемой силы, стремящейся сдвинуть тело. Такая ситуация наиболее характерна для бобслея. Если перемещаемый снаряд находятся в покое, то для начала его перемещения необходимо приложить определенную силу. При этом снаряд начнет перемещаться только тогда, когда данная сила достигнет некоторого предельного значения. Последнее зависит от состояния соприкасающихся поверхностей и от силы давления тела на опору.
При превышении сдвигающей силой предельного значения, тело начинает перемещаться, скользить. Здесь сила трения-скольжения становится несколько меньше предельного значения трения-покоя, при котором начинается движение. В дальнейшем она в некоторой степени зависит от относительной скорости перемещаемых друг относительно друга поверхностей, однако для большинства спортивных движений можно считать ее приблизительно постоянной, определяемой следующим соотношением:
F = kR (2.32)
где k — коэффициент трения, а R — нормальная (перпендикулярная к поверхности) составляющая реакции опоры.
Силы трения в спортивных движениях выполняют, как правило, и положительную и отрицательную роль. С одной стороны, без силы трения невозможно обеспечить горизонтальное перемещение тела спортсмена. Например, во всех дисциплинах, связанных с бегом, прыжками, в спортивных играх и единоборствах стремятся увеличить коэффициент трения между спортивной обувью и поверхностью опоры. С другой стороны, во время соревнований по лыжному спорту, прыжкам с трамплина на лыжах, по санному спорту, бобслею, скоростному спуску первейшей задачей, обеспечивающей высокий спортивный результат, является уменьшение величины трения. Здесь это достигается подбором соответствующих материалов для лыж и санных полозьев или обеспечением соответствующей смазки.
Сила трения является основой для создания целого класса тренажерных устройств, для развития специфических качеств спортсмена, таких, как сила и выносливость. Например, в некоторых весьма распространенных конструкциях велоэргометров сила трения вполне точно задает нагрузку для тренирующегося.
Силы сопротивления окружающей среды. При выполнении спортивных упражнений тело человека всегда испытывает действие окружающей среды. Указанное действие может проявляться как в затруднении перемещений, так и обеспечивать возможность последнего.
Сила, действующая со стороны налетающего на движущееся тело потока, может быть представлена состоящей из двух слагаемых. Это — сила лобового сопротивления, направленная в сторону, противоположную движению тела, и подъемная сила, действующая перпендикулярно направлению движения. При выполнении спортивных движений силы сопротивления зависят от плотности среды , скорости тела V относительно среды, площади тела S (рис. 24), перпендикулярной налетающему потоку среды и коэффициента С, зависящего от формы тела:
Fсопр = СSV2 (2.33)
Рис. 24. Площадь, перпендикулярная налетающему потоку, определяющая величину силы
сопротивления.
Силы упругости. Силы упругости возникают при изменении формы (деформировании) различных физических тел, восстанавливающих первоначальное состояние после устранения деформирующего фактора. С такими телами спортсмен встречается при выполнении прыжков на батуте, прыжков с шестом, при выполнении упражнений с резиновыми или пружинными амортизаторами. Сила упругости зависит от свойств деформируемого тела, выражаемых коэффициентом упругости К, и величины изменения его формы l:
Fупр. = — Кl (2.35)
Выталкивающая сила зависит от величины объема V тела или его части, погруженных в среду — воздух, воду или любую другую жидкость, плотности среды и ускорения свободного падения g.
F = Vg (2.34)