Сила мышц и способы ее измерения
Дано определение силы скелетных мышц. Описаны способы определения силы скелетных мышц у животных и человека: прямые и косвенные. Дано описание механических динамометров (кистевого и станового), а также электронного динамометра. Приведены результаты прямого измерения силы трехглавой мышцы голени.
Давайте определим, что представляет собой собственно сила мышц и как ее можно измерить?
ОпределениеСила (с точки зрения механики) – это векторная величина, мера механического действия на данное тело других тел.
Сила скелетной мышцы (или сила мышечной тяги) – это сила, которая регистрируется на одном из концов мышцы посредством регистрирующего прибора (то есть количественная мера взаимодействия мышцы и регистрирующего прибора).
Более подробно функционирование опорно-двигательного аппарата человека и биомеханика мышц описаны в книге:
Биомеханика опорно-двигательного аппарата человека
Измерение силы мышц
Измерение силы скелетных мышц животных
Для измерения силы скелетных мышц у животных, например, у лягушки, используют специальный прибор (рис.
1). Мышцу подвещивают к одному плечу рычага, а отягощение (W) — к другому.
Измерение силы скелетных мышц человека
Сила, развиваемая определенной мышечной группой является информативным показателем силовых способностей человека. Для измерения силы скелетных мышц человека используются механические и электронные динамометры, а метод, посредством которого измеряется сила мышц называется динамометрия (динамо — сила, метрия — измеряю).
Важнейшей деталью механических динамометров является пружина, которая должна работать в области линейной деформации. Это означает, что измеряемая сила прямо пропорциональна удлинению пружины. При измерениях в спорте очень часто применяются кистевые (рис.1, 2) и становые (рис. 3) динамометры.
Рис.1. Кистевой динамометр, который использовался в СССРРис.2 Современный кистевой динамометрКистевой динамометр позволяет измерить силу мышц кисти человека. Чаще всего его используют для оценки уровня развития физических качеств и состояния здоровья.
Становой динамометр позволяет измерить силу мышц-разгибателей позвоночника. Он в основном применяется в силовых видах спорта (тяжелой атлетике и пауэрлифтинге).
Рис. 3 Становой длинамометрНедостатком механических динамометров является оценка одного, чаще всего максимального значения силы. Однако, если необходимо изучить изменение усилия, развиваемого мышечной группой или спортсменом в течение определенного отрезка времени, применяются электронные динамометры (рис. 4). В этом случае датчиком является не пружина, а тензодатчик, а сама методика называется тензодинамометрия. На рис. 5 показано измерение силы мышц задней поверхности бедра при помощи электронного динамометра.
Рис.4. Электронный динамометрРис.5. Использование электронного динамометра для измерения силы мышц задней поверхности бедраОднако измерение силы посредством динамометров обладает рядом недостатков: Во-первых, измеряется сила не одной мышцы, а целой группы мышц, например, сила мышц кисти, силы мышц задней поверхности бедра.
Во-вторых, движения в суставах являются вращательными. Поэтому результат действия мышцы определяет не только сила мышцы, но и плечо силы тяги. То есть на результат, который показывает динамометр еще вляет плечо силы тяги мышцы. Плечо силы тяги мышцы зависит от угла в суставе и места прикрепления мышцы. Поэтому при одном и том же показателе динамометра реальная сила, которую развивает мышца может различаться.
Прямые измерения силы скелетных мышц человека
Ученые давно пытались измерить силу мышц человека при выполнении им двигательных действий. Следует отметить, что напрямую силу мышц у живого человека измерить очень трудно, хотя и возможно. В 2000 году P.V. Komi произвел прямое измерение силы трехглавой мышцы голени при выполнении различных двигательных действий. С этой целью он использовал специальный датчик, который внедряли в ахиллово сухожилие добровольцев (рис. 6). Было установлено, что при беге с максимальной скоростью трехглавая мышца голени может развивать усилие более 8000 Н, а при прыжках — более 3000 Н.
Из-за больших проблем, возникающих при прямом измерении силы мышц при выполнении двигательных действий, для оценки силы, которую развивают мышцы используют косвенные методы, например, моделирование. Также косвенно силу, которую развивает мышца, можно оценить посредством электромиографии.
Литература
- Самсонова А.В. Гипертрофия скелетных мышц человека.– СПб: Кинетика, 2018.– 159 с.
- Бегун П.И., Самсонова А.В. Биомеханика опорно-двигательного аппарата человека: Монография.– СПб: Кинетика, 2020.– 179 с.
- P.V.Komi Stretch-shortening cycle: a powerful model to study normal and fatigued muscle // Journal of Biomechanics, 2000.- Vol.33.- P. 1197-1206.
С уважением, А.В. Самсонова
Похожие записи:
Мышечно-сухожильный комплекс
Приведена рецензия на книгу В.Т.Тураева и В.В. Тюпа «Мышечно-сухожильный комплекс: анатомия, биомеханика, спортивная практика» зав.
кафедрой биомеханики НГУ…
Сила тяжести
Дано определение силы тяжести. Показано, что сила тяжести является частным случаем силы гравитации. Описаны факторы, определяющие силу тяжести:…
Сила
Дано определение силы в механике. Описаны факторы, определяющие действие на тело силы: направление, точка приложения и численное значение.
Типы телосложения (соматотип) по Башкирову
Описана краткая биография П.Н. Башкирова и его научные труды. Дается классификация типов телосложения человека: долихоморфного (астенического), мезоморфного…
Типы телосложения (конституции) по Э. Кречмеру
Описана биография Эрнста Кречмера – немецкого психиатра и психолога, разработавшего типологию тела человека. Дано описание типов телосложения…
Типы конституции женщин по И.Б. Галанту
Описана биография известного советского психиатра И.Б.Галанта, предложившего естественную систему конституциональных типов женщин. Дана характеристика предложенных И.
Б.Галантом конституциональных…
Зависимость «сила-длина» мышцы
Описаны: история исследования зависимости «сила-длина мышцы», компоненты мышцы, зависимость «сила-длина» расслабленной (пассивной) и активной мышцы; «сила-длина»…
Отсроченное начало болезненности мышц. Стратегии лечения и факторы эффективности
Описаны симптомы, причины, теории отсроченного начала болезненности мышц (запаздывающих болезненных ощущений, DOMS), а также способы уменьшения этих болей:…
Срочные гормональные ответы у элитных тяжелоатлетов-юниоров
Изучалось изменение концентрации в крови: тестостерона, кортизола, гормона роста, бета-эндорфина и лактата у тяжелоатлетов-юниоров…
Как определить вес груза с помощью динамометра?
Динамометр представляет собой прибор, способный определять усилия, воздействующие на объекты. В качестве примера можно привести пружинное весовое спецоборудование. Здесь присоединенный к весам груз растягивает пружину с определенной силой, измерив которую легко выяснить массивность взвешиваемой вещи.
Сегодня приобрести динамометрические крановые весы не составит особого труда.
Виды динамометров
Выпускается множество версий весов, различающихся между собой исполнением, предназначением, функциональностью, а также диапазоном измерений (кг). По принципу функционирования устройства подразделяются на три ключевые разновидности:
• механические;
• электронные;
• гидравлические.
Механические модели делаются пружинными либо рычажными. Работоспособность первых базируется на сжатии, растяжении встроенной пружины. Растягивание пружинного элемента зависит от воздействующего момента силы. Именно по этой причине значение исследуемого параметра реально выяснить с помощью соответствующей шкалы. Как измерить вес динамометром второго типа? Главная особенность – изделие содержит рычаг, на который и воздействует усилие при подвешивании груза. Степень деформирования рычага позволяет измерить коэффициент силы.
Модификации со встроенной электроникой работают благодаря наличию специализированных сенсоров.
Датчики преобразуют воздействующие нагрузки в электрические сигналы. После их обработки итоги динамометрии отображаются на дисплее.
В конструкции гидравлических экземпляров имеется цилиндрический резервуар, содержащий рабочую жидкость. Прикладываемое к прибору усилие вытесняет из цилиндра определенный объем жидкого вещества, который и позволяет узнать величину этой силы.
Особенности конструкции. Как определить вес с помощью динамометра?
Наиболее упрощенный вариант электронного динамометра состоит из трех деталей:
• стальной проушины или крюка;
• корпуса;
• шкалы или цифрового табло, помогающего определять усилие.
Интересно, как определяется вес груза на динамометре электронного типа? Такие варианты устройств оснащаются датчиком, который считывает механическое воздействие. Впоследствии электроника вычисляет силу, выводит полученное значение на экран либо стрелочный индикатор. Такому оборудованию требуется электропитание.
В электронных экземплярах сенсор, воспринимающий исследуемые нагрузки, изменяет свое электрическое сопротивление, поэтому и появляется сигнал, который обязательно усиливается.
Применение динамометров
Пружинные модификации подойдут для взвешивания тяжестей, проверки качества сварных швов. Электронными и механическими моделями замеряются:
• тяговые усилия;
• силы трения либо упругости, тяжести.
Устройствами пользуются и в строительной сфере. Мощнейшие экземпляры рассчитаны на нагрузку, которая может достигать 20000 Ньютонов. Узнать, что измеряет динамометр (вес или массу) конкретной модели, можно только у специалиста. Покупайте продукцию от проверенных поставщиков.
Читайте также
Производительность– Как работает динамометр?
ПРИМЕЧАНИЕ: В следующем примере предполагается, что выходные данные указаны в фунто-футах и лошадиных силах. Динамометры также могут так же легко измерять выходной крутящий момент в ньютон-метрах или киловаттах, или любую другую меру крутящего момента и мощности, если на то пошло.
Прежде всего, давайте соберем всех на одной ноте. Когда дело доходит до транспортных средств, существует два основных типа динамометров: двигатель и шасси.
Динамометр двигателя (для краткости dyno) измеряет крутящий момент непосредственно на коленчатом валу двигателя. Вот более крупный диностенд с прикрепленным к нему двигателем:
Прикрепленный к нему двигатель выглядит как двигатель Detroit Diesel. Обратите внимание, что двигатель крепится к динамометру только через выходной вал (закрытый желтой деталью).
Диностендометр шасси измеряет выходной крутящий момент двигателя, видимый на шинах. Вот тот, который над землей и с автомобилем на нем:
На картинке вы можете видеть большой цилиндр под задними (ведущими) колесами автомобиля. К большому цилиндру прикреплено измерительное устройство для этой конкретной модели.
Диностенд предназначен для измерения крутящего момента в заданной точке (кривошип двигателя или на колесах, в зависимости от модели) и скорости вращения, при которой измеряется крутящий момент.
Для этого (скажем, для динамометрического стенда) двигатель крепится (или, как некоторые сказали бы, « привязал ») к опоре. Эта люлька находится рядом с динамометрическим стендом, где оператор может поместить соединительный элемент между ними. Затем к двигателю подключаются все электрические, топливные и охлаждающие системы. При этом все имеющиеся датчики будут подключены, чтобы оператор мог просмотреть двигатель, чтобы убедиться, что он работает правильно, или остановить его, если они обнаружат проблемы. Оттуда двигатель запускается, и динамометрический стенд считывает величину крутящего момента, создаваемого двигателем.
Чтобы измерить выходной крутящий момент двигателя, динамометрический стенд должен создать некоторое сопротивление, а затем измерить сопротивление. Затем это сопротивление подается на компьютер, который вычисляет величину крутящего момента при заданной скорости и, исходя из этого, может вычислить количество лошадиных сил. Есть два основных способа сопротивления двигателю.
В динамометрическом стенде жидкостного типа используется устройство, очень похожее на преобразователь крутящего момента автоматической коробки передач. Разница здесь в том, что сопротивление соединительного устройства можно регулировать для управления скоростью двигателя.
Другой тип динамометрического стенда — вихретоковый диностенд. Вместо гидромуфты для управления частотой вращения двигателя используются вихревые токи. Думайте об этом как о гигантском генераторе, который может создавать нагрузку, создавая ток, который останавливает скорость двигателя.
Как жидкостные, так и вихретоковые диностенды называются тормозными дино, потому что они используют любой метод для создания тормозного действия, которое управляет двигателем. Совершенно другой метод измерения крутящего момента с помощью динамометрического стенда – это инерционный динамометрический стенд, который рассчитывает скорость, с которой двигатель или шины могут разогнать известную массу. Это работает совершенно по другому принципу, чем тормозной стенд.
Из-за этого измерения могут различаться между двумя типами.
Когда двигатель работает на динамометрическом стенде, он развивает крутящий момент. К динамометру прикреплены датчики, которые могут определять величину движения (фактического скручивания самого устройства), производимого соединительным устройством. Затем эта сила преобразуется в величину создаваемого крутящего момента. Во время испытаний двигатель нажимается на полностью открытую дроссельную заслонку (WOT). Динозавр создает сопротивление двигателю, когда он поднимается в диапазоне оборотов. Чтобы измерить величину крутящего момента, сопротивление должно быть достаточным, чтобы удерживать двигатель на заданной скорости, но не перегружать двигатель (препятствовать его прохождению через диапазон оборотов). По мере того, как обороты двигателя увеличиваются, датчик делает свое дело и считывает величину создаваемого крутящего момента.
Диностендометр на шасси работает почти так же (как в жидкости, так и в вихревых токах), но измеряется на колесах (шинах), когда они соприкасаются с поверхностью вращающегося барабана.
Вычисление лошадиных сил (HP) является легкой частью, главным образом потому, что это просто математическое уравнение, которое дает нам цифру. Чтобы рассчитать HP, просто следуйте математике:
P = (T * N) / константа
Где:
P = Мощность (л.с.) T = крутящий момент (фунт-фут) N = скорость вращения (об/мин) С = константа (5252)
ПРИМЕЧАНИЕ: Константа 5252 представляет собой округленное значение (33 000 фут·фунт-сила/мин)/(2π рад/об)
Поскольку это чисто математическое упражнение, компьютер может вычислить на лету точное количество производимой л.
с., если известно, насколько быстро работает двигатель и какой крутящий момент создается на данной скорости.
Dynos для двигателей и Dynos для шасси
Итак, вы просто: A) купили высокопроизводительный двигатель; B) прикрутил некоторые быстроходные детали к существующему двигателю или C) построил новый двигатель . Теперь вы грызете бит, задаваясь вопросом, сколько силы вы будете иметь под правой ногой.
Существует три основных метода измерения мощности двигателя: проверка на динамометрическом стенде двигателя, проверка автомобиля на динамометрическом стенде или прогон автомобиля на гоночной трассе. Каждый из них предоставит ценную информацию, но метод, который вы выберете, зависит от того, что именно вы хотите знать о производительности вашего двигателя.
В этом посте будут описаны первые два метода, поскольку они являются наиболее поддающимися непосредственному измерению, воспроизводимыми и проводятся в (относительно) контролируемых условиях.
Хотя прошедшее время и количество миль в час на трассе являются хорошими показателями производительности, на испытания на трассе может влиять слишком много переменных (состояние трассы, погода, настройки подвески, навыки водителя и т. д.), чтобы они могли быть действительно надежной мерой производительности. мощность двигателя.
Основы динамометрического стенда двигателя
Динамометрический стенд двигателя рассчитывает выходную мощность непосредственно путем измерения силы (крутящего момента), необходимой для удержания вращающегося двигателя на заданной скорости (об/мин). Затем программное обеспечение динамометрического стенда рассчитывает мощность в лошадиных силах на основе значения крутящего момента и оборотов двигателя (лошадиная сила равна крутящему моменту, умноженному на скорость двигателя, разделенному на 5252).
На динамометрическом стенде есть панель управления, которая показывает показания крутящего момента, оборотов в минуту, температуры воды, температуры и давления масла, температуры выхлопных газов и соотношения воздух/топливо (от датчика O2) через датчики, подключенные к двигателю.
Оператор динамометрического стенда может запускать и управлять двигателем с пульта с помощью рычага с тросовым приводом или с помощью электроники, в зависимости от динамометрического стенда. Сам двигатель обычно лишен привода вспомогательных агрегатов (большинство динамометрических стендов используют электрический водяной насос и, возможно, генератор переменного тока для испытаний) и оснащен 9коллекторы 0003
Поскольку динамометрический стенд измеряет крутящий момент напрямую, он дает наиболее точное представление о том, какую мощность развивает ваш двигатель. Таким образом, динамометрический стенд двигателя является наиболее точным способом сравнения деталей (например, головка блока цилиндров с головкой блока цилиндров) или точной настройки двигателя для извлечения максимальной мощности. Другие преимущества динамометрических стендов включают легкий доступ к двигателю для замены деталей и настройки, повторяемость и (обычно) хорошо контролируемые условия испытаний.
Основы динамометрического контроля шасси
В то время как динамометрический стенд двигателя измеряет мощность непосредственно от двигателя, динамометрический стенд шасси измеряет мощность двигателя — или, точнее, мощность трансмиссии — на ведущих колесах автомобиля. В своей базовой форме динамометрический стенд состоит из платформы с парой барабанов или роликов, системы торможения или поглощения мощности и программного обеспечения для расчета выходной мощности.
Испытуемый автомобиль располагается на динамометрическом стенде ведущими колесами на барабанах или катках. В зависимости от типа динамометрического стенда программное обеспечение рассчитывает выходной крутящий момент в зависимости от того, насколько быстро транспортное средство ускоряет барабан (динамический стенд инерционного типа, например Dynojet), или с помощью тензодатчика, который измеряет мощность, поглощаемую роликами (вихретоковый динамометрический стенд, такой как динамометрический стенд Mustang).
Преимущество динамометрического стенда в том, что он способен измерять мощность на ведущих колесах — характеристики автомобиля в «реальном мире». Вы можете вносить изменения в настройку и тестировать детали, чтобы выяснить, как они влияют на мощность, точно так же, как с динамометрическим стендом двигателя (хотя и не так легко). А поскольку существуют стандартные коэффициенты потерь мощности двигателя через трансмиссию (15–17 % для механических коробок передач и 20–25 % для автоматических — цифры, принятые большинством тюнеров), динамометрический стенд может дать вам хорошее представление о том, насколько эффективна ваша трансмиссия. является.
Какой Dyno мне использовать?
Так какой же динамометр лучше? Ответ, конечно, зависит.
Если вы хотите обкатать и настроить новый двигатель, сравнить влияние различных деталей на мощность или извлечь максимальную мощность из текущей комбинации двигателей, динамометрический стенд — это то, что вам нужно. Поскольку он измеряет «истинный» крутящий момент двигателя, отслеживает широкий спектр функций двигателя и проводит испытания в контролируемых условиях, динамометрический стенд обеспечивает очень точные и воспроизводимые результаты.
Определение общей производительности трансмиссии автомобиля — это то, где действительно помогает динамометрический стенд — в конце концов, мощность на ведущих колесах — это то, что в конечном итоге приводит ваш автомобиль в движение по дороге или по трассе. Возможно, самое большое преимущество динамометрического стенда заключается в том, что у вас нет времени и хлопот на выдергивание двигателя — просто подъезжайте к платформе, делайте несколько пробежек, а затем возвращайтесь домой с распечатками мощности в руке.
Что нужно помнить о динамометрическом стенде, так это то, что он на самом деле не предназначен для измерения истинной или маховиковой мощности двигателя.
Вы должны определить мощность двигателя, потребляемую трансмиссией , и добавить ее к показателю мощности ведущего колеса. Хотя существуют общепринятые проценты потерь для механических и автоматических коробок передач и трансмиссий, оборудованных , на самом деле они являются лишь приблизительными. Добавьте к этому тот факт, что потери в трансмиссии могут варьироваться от одного запуска к другому, а такие параметры, как температура и давление в шинах, также влияют на конечные результаты, и вы увидите, что динамометрический стенд гораздо лучше подходит для настройки автомобиля, чем для измерения мощности двигателя. .
Постоянство — это ключ
Независимо от того, какой тип динамометра вы используете, вы должны понимать, что постоянство — это ключ к точным результатам. Типичный сеанс динамометрических испытаний состоит из нескольких рывков (динамометрический стенд двигателя) или запусков (динамометрический стенд шасси), не говоря уже о многочисленных корректировках и оптовых заменах деталей.
Чтобы результаты были действительными, условия тестирования — температура, влажность, тип динамометра, оператор и процедуры — должны быть максимально согласованными.
Вентиляция также важна, особенно для динамометрических стендов. Плохая вентиляция позволяет выхлопным газам загрязнять заряд всасываемого воздуха, что плохо для мощности или повторяемости. Убедитесь, что магазин, который вы используете, имеет достаточную вентиляцию, или подождите несколько минут между затяжками, чтобы выхлопные газы рассеялись. Любые отклонения в условиях испытаний могут повлиять на результаты и оставить у вас неверное представление о том, на что действительно способен ваш двигатель или транспортное средство.
И последнее замечание по динамометрическим испытаниям: тщательно выбирайте квалифицированного оператора динамометрического стенда. Тот факт, что кто-то покупает динамометрический стенд и вешает табличку с надписью «Dyno Tuner», не делает его экспертом. Спросите вокруг и узнайте, какими магазинами пользуются люди, а затем посетите их, чтобы узнать, как они работают.
