| Наконец-то у меня появилось немного свободного
времени, и я могу довести до конца начатое - разбор
задачи об облегчении подъёма штанги после
предварительного медленного разгона.
Одних моих заявлений о том, что задача эта решена
Вами, уважаемый Составитель, не верно, и ссылок на
более правильное объяснение, предложенное Ugly,
оказалось недостаточно - Вы продолжаете упорствовать и
настаивать на своей точке зрения. Что ж, это говорит о
том, что в Вашем случае, уважаемый Составитель, имеют
место какие-то глубинные проблемы в понимании
динамики. Оставлю на конец изложения более точное
объяснение подмеченного Вами феномена облегчения
подъёма и прежде всего покажу, что предложенное Вами
объяснение никуда не годится.
Итак, Вы утверждаете, что:
"В том момент, когда в результате медленного посыла
штанга оказывается в верхней точке своего подлёта,
совпадающей с её обычным положением на плечах при
начале обычного (безразгонного) жима, она, штанга, как
это и положено всякому находящемуся в свободном полёте
телу, продолжает оставаться в состоянии невесомости.
То есть в самое первое мгновение жимового швунга без
начальной скорости руки имеют дело со штангой без
веса. То есть им приходится преодолевать лишь её
инерцию покоя."
Или что:
"Если брошенный камень летит по дуге, то в высшей
точке своего полёта он не имеет вертикальной скорости
относительно земли - но это не значит, что тут у него
сразу же появляется вес. Нет, камень продолжает
оставаться в невесомости."
Судя по этим словам, Вам, уважаемый Составитель, прежде
всего нужно разобраться с понятиями "вес тела" и "сила
тяжести". Распространённым заблуждением является
смешение этих двух понятий, которое, судя по всему,
имеет место и в Вашем случае. И сила тяжести, и вес
тела суть силы, и причиной этих сил является
гравитационное взаимодействие Земли и рассматриваемого
тела. Но в чём же отличие между силой тяжести и весом
штанги?
Вы можете заметить, что вес тела не всегда равен силе
тяжести - например, архимедова сила даже в воздухе
может серьезно уменьшить вес тела, сделав его заметно
меньшим силы тяжести. Однако этот ответ не вскрывает
самого главного и принципиального различия силы
тяжести и веса тела.
Самое главное различие между силой тяжести и весом
тела заключено в том, что это силы, приложенные к
РАЗНЫМ телам. Сила тяжести - это сила, с которой Земля
притягивает тело, и приложена эта сила, понятно, к
самому телу. А вот вес тела - это сила, с которой тело
действует на опору, удерживающую тело от свободного
падения, и приложена эта сила не к телу, а к опоре. А
потому при рассмотрении движения тела наблюдателю
должно быть совершенно безразлично, есть у данного
тела вес или его нет. Рассматривая движение тела,
наблюдатель должен учитывать силы, приложенные именно
к этому телу, а потому вес тела (то есть сила, с
которой тело давит на опору) в уравнения движения тела
вообще не должна входить. При рассмотрении движения
тела нужно учитывать не вес тела, а силу тяжести - но
сила тяжести никуда не девается даже в свободном
полёте. Лежит ли камень на столе, летит ли он вверх
или падает - на него всегда действует постоянная сила
тяжести. У рассматриваемого Вами камня, летящего по
дуге, нет веса потому, что нет опоры, на которую
камень мог бы воздействовать - но вот сила тяжести
никуда не девается в любой точке полёта камня.
Да, действительно, чисто теоретически можно выделить
какой-то очень краткий миг смены скорости камня
(скорость вверх на скорость вниз) в некой точке
наивысшего подъёма камня, и утверждать, что если в
этот миг под камень подсунуть опору, то камень на эту
опору воздействовать не будет и что воздействие
появится лишь в следующую долю секунды - но само такое
рассмотрение сродни софизмам Зенона о неподвижной
стреле, ибо тут предлагается поймать миг, когда
скорость камня в точности равна нулю.
Впрочем, это не главное. Главное - это то, что
отсутствие или наличие веса, то есть силы, приложенной
к опоре, никак не сказывается на величине силы,
требуемой для разгона самого тела, в чём легко
убедиться, записав второй закон Ньютона (чего Вы,
уважаемый Составитель, тщательно избегаете во всех
своих рассуждениях, хотя это и есть основа динамики, и
без этого закона оперировать понятием силы
бессмысленно).
Итак, для штанги, поднимаемой атлетом, второй закон
Ньютона выглядит так:
ma = F(ш) - F(т)
где m - масса штанги, a - ускорение её движения, F(ш) -
сила, с которой штангист действует (или должен
действовать) на штангу, F(т) - сила тяжести штанги.
То есть сила, с которой атлет должен воздействовать на
штангу равна F(ш) = ma + F(т), и зависит она от силы
тяжести штанги (которая постоянна, что бы со штангой
ни происходило, и она никуда не девается ни при полёте
штанги, ни при её покое) и от ускорения, с которым
штангу требуется поднимать. То есть требуемая для
разгона штанги сила совсем не зависит от того, есть ли
у штанги вес или его нет, а также от того, в какой
момент эту силу требуется приложить к штанге. Да и как
же может быть иначе, если для штанги веса вообще не
существует, поскольку вес - это сила, приложенная не к
штанге, а к совершенно другому телу?
Как может показаться, та сила, которую требуется
прикладывать к штанге для её подъема, не зависит и от
начальной скорости штанги (ведь в явном виде скорость
не входит в приведённую зависимость для силы атлета) -
но это не совсем так. Если у штанги есть начальная
скорость, то для подъёма штанги достаточно двигать её
с нулевым ускорением, и тогда сила, требуемая
для подъёма, будет равна лишь силе тяжести F(ш) = F(т).
Более того, если у штанги есть начальная скорость, то
поднимать штангу можно даже и такой силой, которая
меньше силы тяжести штанги - правда, при этом штанга
будет двигаться с отрицательным ускорением, то есть
замедлять свою скорость подъёма, но всё же двигаться
вверх:
F(ш) = F(т) - ma
Итак, сила, требуемая для подъёма штанги, зависит лишь
от начальной скорости штанги, но никак не зависит
от "истории" движения штанги, как, по сути, заявили
Вы, уважаемый Составитель.
Утверждая, что:
"...в самое первое мгновение жимового швунга без
начальной скорости руки имеют дело со штангой без
веса. То есть им приходится преодолевать лишь её
инерцию покоя"
Вы фактически заявили, что в формуле зависимости силы
атлета
F(ш) = ma + F(т)
в какой-то момент F(т) равно нулю и тогда, мол,
остаётся только инерция тела - ma.
Но ведь F(т) - это не вес штанги, а сила тяжести. В
данной формуле исчезнуть или уменьшиться может только
величина ma, то есть потребность в силе можно
уменьшить, уменьшив ускорение движения штанги, но вот
слагаемое F(т), то есть силу тяжести штанги, уменьшить
или совсем убрать можно, лишь отправив штангиста на
другую планету с меньшей массой.
В общем, в Вашем решении задачи, уважаемый
Составитель, налицо смешение понятий силы тяжести и
веса штанги и, как результат, сложение во втором
законе Ньютона друг с другом сил, приложенных к разным
телам. Кстати, сложение сил, приложенных к разным
телам, является классической ошибкой, на ней основан
ряд физических "парадоксов".
Избежать этой ошибки можно было бы, либо правильно
применяя законы Ньютона, либо рассматривая ситуацию не
с точки зрения классической системы (включающей законы
Ньютона), а с точки зрения энергетической системы.
Положим, что в конце подъёма штанга полностью
останавливается, то есть не имеет кинетической энергии.
Тогда энергия, требуемая для подъёма штанги, равна
изменению потенциальной энергии силы тяжести - mgh
(где m - масса штанги, g - ускорение свободного
падения, h - высота подъёма штанги).
И при обычном жиме, и при швунге штангу требуется
поднять на одинаковую высоту. Соответственно, в обоих
случаях на подъём требуется затратить одинаковое
количество энергии.
Облегчение подъёма с энергетической точки зрения
должно означать уменьшение энергии, выделяемой мышцами
человека. Откуда же должна взяться дополнительная
энергия в случае предварительного разгона штанги? Эта
дополнительная энергия есть ничто иное, как начальная
кинетическая энергия штанги, зависящая от скорости. То
есть предварительный разгон может облегчить подъём
только в том случае, если к началу воздействия рук
штанга будет иметь некоторую скорость. Если же скорость
штанги, как утверждаете Вы, уважаемый Составитель,
равна нулю, то тогда нет и дополнительной кинетической
энергии штанги, а значит, мышцам рук нужно выделить
столько же энергии, что и без предварительного разгона
ногами.
Для чёткости понимания этого я запишу в виде формулы
то, чему равна энергия мышц, требуемая для подъёма
штанги:
E = mgh - m(v2)/2
Где mgh - изменение потенциальной энергий штанги при
подъеме её на высоту h, а m(v2)/2 - это
кинетическая энергия штанги в начале подъёма.
Если, как Вы утверждаете, штанга в начале движения
покоится (v равно нулю), то и m(v2)/2 тоже
равно нулю, а значит, энергия мышц, требуемая для
подъёма штанги, равна E = mgh.
Как видно из этой формулы, энергия, требуемая для
подъёма штанги, зависит только от высоты её подъёма и
никак не зависит ни от того, что штанга делала до
момента подъема, ни от того, был ли у штанги вес в
момент начала подъёма или его не было.
Таким образом, при нулевой скорости штанги после
слабого посыла никакого физического облегчения подъёма
штанги быть не может в принципе. Следовательно, если
ощущение облегчения подъёма всё же имеет место, то
искать объяснения этого феномена следует либо в
физиологии человека, либо вообще в его психологии. И
Ваш аргумент, что облегчение подъема штанги после
медленного посыла имеет вполне материальный эквивалент
в виде дополнительной высоты подъёма штанги, никак не
противоречит физиологическому объяснению данного
феномена.
Чем же на самом деле можно объяснить облегчение подъема
штанги после медленного разгона при условии, что к
моменту начала жима штанга полностью оставливается?
Во-первых, неточностью человеческих ощущений. Может ли
человек однозначно утверждать, что штанга покоилась к
началу жима? Тем более, что нужно, согласно Вашему же
объяснению, точно поймать момент остановки штанги и
начать жим ни долей секунды раньше или позже. Ну
конечно же, из множества попыток часть будет
осуществлена тогда, когда штанга ещё хоть и медленно
но движется вверх, то есть имеет некоторую
кинетическую энергию, воспользовавшись которой и можно
облегчить подъём. Если же момент остановки штанги
поймать идеально точно, то никакого преимущества в
энергии или силе получить не удастся. Впрочем, кое-
какое преимущество можно получить и тут.
Первое преимущество - это предварительное напряжение
мышц, возникшее при разгоне, о котором уже писал
Ugly, но серьёзную роль в рассматриваемом феномене
данный фактор, конечно, не играет.
Гораздо важнее второй фактор.
Как я уже показал ранее, при рагоне ногами штанга
движется быстрее тела атлета, поэтому когда атлет
прекращает разгон штанги и останавливает тело, штанга,
прежде чем полностью остановиться, поднимается ещё
немного вверх относительно тела и относительно
помоста. То есть к моменту начала жима остановившаяся
после разгона штанга находится выше и относительно
помоста, и даже относительно тела атлета. Причём за
счёт разгона (поскольку он очень медленный) штанга
может даже не оторваться от плеч и касаться их, но
само тело после разгона вытянется вверх вслед за
штангой. То есть после разгона к началу жима как
плечи атлета, так и сама штанга будут находится выше
над помостом, чем в случае без разгона. То, что штанга
после разгона окажется выше относительно помоста,
уменьшает высоту, на которую требуется поднять штангу,
а это прямой выигрыш в энергии, то есть это чисто
физическое преимущество. А вот второй фактор,
связанный с тем, что при обычном жиме (без разгона) в
начальной позиции тело атлета оказывается
спрессованным под весом штанги, а в случае жима после
разгона тело атлета выпрямлено и недеформировано, и
плечи атлета находятся выше относительно помоста,
приводит к тому, что когда атлет начинает жать штангу
после окончания разгона и принимает на себя её вес,
плечи атлета под действием силы жимовых мышц, даже не
превышающей силу тяжести штанги, уходят вниз как
минимум до того состояния, в котором они были бы в
случае жима без предварительного разгона, и за счёт
этого штанга сразу же и легко оказывается оторванной
от плеч. То есть после разгона оторвать штангу от плеч
можно силой мышц, даже равной весу штанги.
Еще раз: при жиме без разгона тело атлета не может
смещаться вниз, потому отделение штанги от плеч
происходит только за счёт подъёма самой штанги. А для
этого подъёма к штанге необходимо приложить такую
силу, которая больше веса штанги на величину, равную
произведению массы штанги на ускорение её движения. В
случае же жима после разгона из-за того, что тело
атлета оказывается вытянутым вверх (то есть не
подвергшимся обычному сжатию под весом штанги) после
напряжения жимовых мышц сами плечи атлета в рамках
нормальной своей деформации уходят вниз - и штанга при
этом может даже не подниматься вверх, а только
удерживаться на начальной высоте. При этом для такого
опускания плеч (деформирования тела атлета) требуется
сила, не превышающая вес штанги. В итоге штанга
оказывается оторванной от плеч и даже поднятой на
определённую высоту относительно её начального
положения при обычном жиме усилиями мышц, равными
её весу. И уже из этой позиции, когда штанга поднята
над плечами, жать её дальше оказывается несколько
легче - по причине более удобных рычагов.
Вот, видимо, и весь секрет. Как мне показалось, Ugly,
утверждая, что наше тело не бронзовое и может
деформироваться и что в случае разгона штанга
оказывается выше над помостом, имел в виду нечто
близкое к изложенным мной мыслям. Единственное, что он
не отметил в явном виде, так это то, что при швунге не
только штанга оказывается выше над помостом, но ещё и
само тело после швунга получает возможность совершить
"деформационный" уход под штангу. | |