Práce W vykonaná vnějšími silami, které působí na těleso, je příčinou změny energie ΔE tělesa57: W = ΔE
Podívejme se na příklad vrhače koulí. Použil sílu 1206 N k posunutí koule ve směru vrhu o 0,5 m. Použitá síla byla konstantní. Vertikální posunutí zanedbáme, a proto zanedbáváme také potenciální energii. Představujeme si, že všechna práce byla použita ke změně kinetické energie koule. Když víme, že byla vykonána práce 603 J, potom kinetická energie koule v místě odhodu byla 603 J. Jaká byla rychlost vodhod koule o hmotnosti 7,26 kg v okamžiku odhodu?
Počáteční rychlost disku v okamžiku odhodu byla 12,88 m/s z rovnosti práce a změny kinetické energie. Přírůstek mechanické energie disku je roven pouze přírůstku jeho kinetické energie, protože potenciální energie zanedbáváme58.
Konání práce ke zvýšení energie
Ve sportu a při tělesném cvičení často potřebujeme maximalizovat kinetickou energii daného tělesa.
Abychom ve sportu nebo při tělesném cvičení mohli maximálně zvýšit kinetickou energii lidského těla nebo náčiní, musíme působit co největší silou po co nejdelší dráze.
Takto můžeme použít znalosti vztahu energie a práce pro zlepšení techniky v některých sportech, zvláště pak v atletice. Ze vztahu mezi impulsem síly a hybností víme, že pro lepší techniku a tím větší navýšení rychlosti projektilu potřebujeme použít co největší sílu po co nejdelší čas. Podle vztahu mezi prací a energií je rychlost maximalizována působením co největší síly po co nejdelší dráze.
Například koulaři musí podle pravidel vrhnout koulí z kruhu, ze kterého nesmí při vrhu vykročit. Rozměry tohoto kruhu potom limitují koulaře v možnosti vykonání práce, protože mohou působit svou silou pouze po omezené dráze. Koulaři proto často volí počáteční polohu tak, že stojí předklonění na jedné noze zády ke směru vrhu, aby maximalizovali dráhu působení síly na kouli a vykonali co největší práci a dosáhli velké počáteční rychlosti koule při odhodu (obr 13). Příčinou delších hodů jsou v tomto případě delší dráha působení síly na kouli a výhodné zapojení větších svalových skupin při vrhu.
Konáním práce můžeme navýšit nejenom kinetickou, ale také potenciální energii tělesa.
Obrázek 13 Počáteční fáze techniky vrhu koulí, která umožňuje maximalizovat vykonanou práci v průběhu vrhu.
Konání práce za účelem pohlcení energie
Princip vztahu mezi energií a prací můžeme využít k vysvětlení techniky použité k pohlcení energie tělesa tak, aby nedošlo k případnému zranění sportovce. To se děje především při chytání projektilů, dopadech a podobně, kdy konáme zápornou práci. Také svaly konají zápornou práci při dopadech člověka na zem. Energie lidského těla je při dopadu dána a síly doprovázející její přenos nás mohou dokonce zranit, pokud nepoužijeme správnou techniku dopadu. Při dopadech je nutné maximalizovat dráhu, na které je projektil brzděn. Pokud tuto brzdnou dráhu prodlužujeme, zároveň snižujeme dopadové síly. Je nutné si však uvědomit, že prodlužování brzdné dráhy například hlubokým podřepem nezaručuje nižší reakční síly v konkrétním jednom kloubu. Výsledná reakční síla na podložce se sníží, ale například kolenní kloub může při takovémto doskoku zaznamenat nárůst momentu síly oproti provedení doskoku s nižším podřepem, ale následným pohybem vzad (Jandačka a Zahradník, 2011).
Snížení dopadových sil a zvýšení brzdné dráhy způsobuje také písek při dopadu skokana do dálky, voda při dopadu akrobatického skokana, běžecké boty při dotyku nohy se zemí, boxerské rukavice při úderu na čelist a podobně.
Zákon zachování mechanické energie
Pokud není konána na tělese práce, potom platí: změna kinetická energie + změna potenciální energie + změna deformační energie = 0:
Celková mechanická energie tělesa je konstantní, pokud nepůsobí vnější síly (jiné než tíhová síla).
Tento zákon je možné využít při studiu pohybu projektilů. Například pokud předpokládáme, že skokan o tyči po odrazu nekoná práci, jeho celková mechanická energie je na začátku rovna jeho kinetické energii na konci rozběhu. Tato kinetická energie se transformuje do deformační energie tyče a ta se následně transformuje v navýšení potenciální energie skokana. Jinými slovy, skokan o tyči vyskočí tím výše, čím rychleji se rozběhne a čím kvalitněji je schopna jeho tyč transformovat kinetickou energii v potenciální energii prostřednictvím deformace. Část energie se transformuje v jiné druhy energie, např. vnitřní energii tyče, vyvolávající zahřátí tyče.
Výkon
V některých sportech pro úspěch nestačí pouze vykonat velké množství práce, ale konat velké množství práce v co nejkratším čase. Z mechanického hlediska tuto schopnost popisuje veličina výkon59.
Veličina průměrný výkon popisuje, jak velké množství práce bylo vykonáno za určitý čas. Matematicky můžeme výkon popsat takto:
kde P je výkon (W)60, W práce (J) a t doba konání práce.
Okamžitý výkon je podíl práce a doby blížící se nule, za kterou byla vykonána.
Výkon hodnotí rychlost konání práce.
Výkon může být také definován jako součin průměrné síly a průměrné rychlosti posunutí tělesa ve směru této síly:
kde P označuje průměrný výkon (J), F průměrnou sílu (N), Ft velikost složky průměrné síly ve směru rychlosti posunutí tělesa (N), v velikost průměrné rychlosti posunutí tělesa ve směru působení průměrné síly (m/s) a v rychlost posunutí (m/s).
Je výhodné švihnout pažemi při vertikálním výskoku? Jaký převodový poměr je optimální k tomu, abychom jeli na kole co nejrychleji v daných podmínkách? Jaká délka kroku je optimální k dosažení nejvyšší rychlosti v daných podmínkách? K tomu, abychom mohli odpovědět na tyto velice složité otázky, nám pomůže koncept výkonu a znalost některých vlastností svalů.
U komplexních lidských pohybů je maximálního výstupního mechanického výkonu dosahováno přibližně s 50 % maxima síly a rychlosti daného sportovce (Jandačka a Vaverka, 2008). To by mohlo znamenat, že nejlepší převodový poměr v cyklistice není ani ten nejvyšší ani ten nejnižší, ale ten, který je někde mezi oběma extrémy. Optimální délka kroku při běhu není ani ta nejdelší a ani ta nejkratší, ale délka kroku někde mezi těmito extrémy. Nejlepší volba převodového poměru, délky kroku a podobně je ta, která umožňuje kontrakci vašich svalů s optimální rychlostí a optimální silou a tím je vyvolán maximální mechanický svalový výkon. U komplexních pohybů ovlivňují výsledný výkon nejenom vlastnosti jednotlivých svalů, ale také svalová koordinace (Wakeling, Blake a Chan, 2010).
Podívejme se ještě na příklad vzpírání, kdy vzpěrači vykonávají nadhoz nebo trh. Síla, kterou použije vzpěrač na činku a rychlost pohybu ukazuje na obrovský svalový výkon (kolem 3 200 W), ale jen v krátkých časových okamžicích. Kdyby doba pohybu byla delší, byl by schopen vzpěrač stále produkovat tak velký výkon? Doba trvání pohybové aktivity podstatně ovlivňuje schopnost produkovat svalový výkon. Sprinteři jsou schopni udržovat výkon po relativně krátkou dobu (0-60 s). Výkony běžců na středních tratích jsou podstatně menší než u sprinterů, protože doba jejich pohybové aktivity se prodlužuje od jedné do sedmi minut. Maratonci mají ještě menší výkon, protože běží dvě až čtyři hodiny. Metabolický systém člověka ovlivňuje schopnost produkovat výkon sportovců (obr. 14).
Obrázek 14 Vztah metabolického, mechanického výkonu a zdrojů energie (aerobní metabolismus, anaerobní glykolýza a vysoce energetické fosfáty) (Knuttgen a Komi, 2003).
57 Například práce, kterou vykonává člověk (sportovec), je ovlivněna silami, které vznikají při interakci jeho těla s okolím. Zpět
58 Zanedbáváme působení odporových sil (odpor vzduchu, třecí síla).Zpět
59 Pojem výkon úzce souvisí s pojmy rychlá síla a explozivní síla, které jsou používány v předmětu antropomotorika.Zpět
60 W – jednotka výkonu watt.Zpět