М'язи, що приводять у рух ланки тіла, здійснюють механічну роботу.

Робота в деякому напрямку - це добуток сили (F), що діє в напрямку переміщення тіла на пройдений їм шлях (S): А = F • S.

Виконання роботи вимагає енергії. Отже, при виконанні роботи енергія в системі зменшується. Оскільки для того щоб була здійснена робота, необхідний запас енергії, останню можна визначити наступним чином: Енергія - це можливість зробити роботу, це деяка міра наявного в механічній системі «ресурсу» для її виконання. Крім того, енергія - це міра переходу одного виду руху в інший.

У біомеханіки розглядають такі основні види енергії:

• потенційна, що залежить від взаємного розташування елементів механічної системи тіла людини;

• кінетична поступального руху;

• кінетична обертального руху;

• потенційна деформації елементів системи;

• теплова;

• обмінних процесів.

Повна енергія біомеханічної системи дорівнює сумі всіх перерахованих видів енергії.

Піднімаючи тіло, стискаючи пружину, можна накопичити енергію в формі потенційної для подальшого її використання. Потенціальна енергія завжди пов'язана з тією чи іншою силою, що діє з боку одного тіла на інше. Наприклад, Земля силою тяжіння діє на падаючий предмет, стиснута пружина - на кульку, натягнута тятива - на стрілу.

Потенційна енергія - це енергія, яку має тіло завдяки своєму становищу по відношенню до інших тіл, або завдяки взаємному розташуванню частин одного тіла.

Стало бути сила тяжіння і пружна сила є потенційними.

Гравітаційна потенційна енергія: Еп = m • g • h

Потенційна енергія пружних тел: , Де k - жорсткість пружини; х - її деформація.

З наведених прикладів видно, що енергію можна накопичити в формі потенційної енергії (підняти тіло, стиснути пружину) для подальшого використання.

У біомеханіки розглядають і враховують два види потенційної енергії: обумовлену взаємним розташуванням ланок тіла до поверхні Землі (гравітаційна потенційна енергія); пов'язану з пружною деформацією елементів біомеханічної системи (кістки, м'язи, зв'язки) або будь-яких зовнішніх об'єктів (спортивних снарядів, інвентарю).

Кінетична енергія запасається в тілі під час руху. Рух тіло здійснює роботу за рахунок її зменшення. Оскільки ланки тіла і тіло людини здійснюють поступальний і обертальний руху, сумарна кінетична енергія (Ек) буде дорівнює: , Де m - маса, V - лінійна швидкість, J - момент інерції системи, ω - кутова швидкість.

Енергія надходить в биомеханическую систему за рахунок протікання в м'язах метаболічних обмінних процесів. Зміна енергії, в результаті якого відбувається робота, не є високоефективним процесом в біомеханічної системі, тобто не вся енергія переходить в корисну роботу. Частина енергії втрачається безповоротно, переходячи в тепло: тільки 25% використовується для виконання роботи, інші 75% перетворюються і розсіюються в організмі.

Для біомеханічної системи застосовують закон збереження енергії механічного руху в формі:

Епол = Ек + Епот + U,

де Епол - повна механічна енергія системи; Ек - кінетична енергія системи; Епот - потенційна енергія системи; U - внутрішня енергія системи, що представляє в основному теплову енергію.

Повна енергія механічного руху біомеханічної системи має в своїй основі два наступних джерела енергії: метаболічні реакції в організмі людини і механічна енергія зовнішнього середовища (деформуються елементів спортивних снарядів, інвентарю, опорних поверхонь; супротивників при контактних взаємодіях). Передається ця енергія за допомогою зовнішніх сил.

Особливістю енергопродукції в біомеханічної системі є те, що одна частина енергії при русі витрачається на вчинення необхідного рухового дії, інша йде на необоротне розсіювання запасеної енергії, третя зберігається і використовується при подальшому русі. При розрахунку витрачається при рухах енергії і яку здійснюють при цьому механічної роботи тіло людини представляють в вигляді моделі многозвеньевой біомеханічної системи, аналогічної анатомічною будовою. Рухи окремого ланки і руху тіла в цілому розглядають у вигляді двох більш простих видів руху: поступального і обертального.

Повну механічну енергію деякого i-го ланки (Епол) можна підрахувати як суму потенційної (Епот) і кінетичної енергії (Ек). У свою чергу Ек можна уявити як суму кінетичної енергії центру мас ланки (Ек.ц.м.), в якій зосереджена вся маса ланки, і кінетичної енергії обертання ланки щодо центру мас (Ек. Вр.).

Якщо відома кінематика руху ланки, це загальне вираз для повної енергії ланки матиме вигляд: , Де mi - маса i-го ланки; ĝ - прискорення вільного падіння; hi - висота центру мас над деякими нульовим рівнем (наприклад, над поверхнею Землі в даному місці); - швидкість поступального руху центру мас; Ji - момент інерції i- го ланки щодо миттєвої осі обертання, що проходить через центр мас; ω - миттєва кутова швидкість обертання щодо миттєвої осі.

Робота зі зміни повної механічної енергії ланки (Аi) за час роботи від моменту t1 до моменту t2 дорівнює різниці значень енергії в кінцевий (Еп (t2)) і початковий (Еп (t1)) моменти руху:

Природно, в даному випадку робота витрачається на зміну потенційної і кінетичної енергії ланки.

Якщо величина роботи Аi> 0, тобто енергія збільшилася, то кажуть, що над ланкою здійснена позитивна робота. Якщо ж Аi <0, тобто енергія ланки зменшилася, - негативна робота.

Режим роботи зі зміни енергії даного ланки називається долають, якщо м'язи здійснюють позитивну роботу над ланкою; поступається, якщо м'язи здійснюють негативну роботу над ланкою.

Позитивна робота здійснюється, коли м'яз скорочується проти зовнішнього навантаження, йде на розгін ланок тіла, тіла в цілому, спортивних снарядів і т. Д. Негативна робота здійснюється, якщо м'язи протидіють розтягування за рахунок дії зовнішніх сил. Це відбувається при опусканні вантажу, спуску по сходах, протидії силі, яка перевищує силу м'язів (наприклад в армрестлінгу).

Помічені цікаві факти співвідношення позитивної та негативної робіт м'язів: негативна робота м'язів економічніше позитивної; попереднє виконання негативної роботи підвищує величину і економічність наступної за нею позитивної роботи.

Чим більше швидкість пересування тіла людини (під час легкоатлетичного бігу, бігу на ковзанах, бігу на лижах і т. П.), Тим більша частина робіт витрачається нема на корисний результат - переміщення тіла в просторі, а на переміщення ланок щодо ОЦМ. Тому при швидкісних режимах основна робота витрачається на розгін і гальмування ланок тіла, так як з ростом швидкості різко зростають прискорення руху ланок тіла.