23

Kinetika

Zákon zachování hybnosti

V biomechanice je hybnost p součin hmotnosti lidského těla m (náčiní) a jeho rychlosti v:

p = mv42

Hybnost nám umožňuje vyjádřit míru pohybu a setrvačnosti tělesa jednou hodnotou. Ve sportu a tělesném cvičení má většina těles konstantní hmotnost. Jestliže se nemění jejich rychlost, také hybnost zůstává konstantní. Víme, že rychlost se nemění, platí-li ΣF = o43 . Proto můžeme napsat: , jestliže výsledná síla působící na těleso je nulová. Protože rychlost je vektor, hybnost je také vektorová veličina. Použití znalosti zákona zachování hybnosti není příliš zajímavé v případě jednoho tělesa, ale stává se pro nás důležitým, pokud zvažujeme dvě a více těles.

Analýza pohybů více těles je pro nás jednodušší, když si představíme, že každé těleso je částí jednoho systému, na který nepůsobí žádné další síly, protože vektorový součet vnějších sil působících na soustavu je nulový.


Celková hybnost izolované soustavy těles se vzájemným silovým působením těles nezmění.


44

a tedy

Zákon zachování hybnosti je konkrétně vhodný pro analýzu srážek ve sportu a tělesném cvičení. Srážky ve sportu a při tělesném cvičení se objevují například při úderu boxerskou rukavicí, kopu fotbalisty do fotbalového míče, naražení protihráče v hokeji. Výsledek těchto srážek může být vysvětlen pomocí zákona zachování hybnosti.

Pružné srážky

Jestliže se dvě tělesa srazí dokonale pružnou srážkou45, jejich výsledná společná hybnost je zachována. Navíc v tomto případě k narušení platnosti zákona zachování mechanické energie vlivem deformace těles nedochází. Tento princip můžeme použít k předpovědi výsledných rychlostí obou těles po srážce:

v1 resp. v2 jsou rychlosti těles před srážkou, u1 resp. u2 jsou rychlosti těles po srážce, m1m2 označují hmotnosti těles zapojených ve srážce.

Při pružné srážce jsou v krátkém okamžiku tělesa stlačená a jejich kinetická energie je v nich uchována jako energie deformační (podobně jako ve stlačené pružině). Tato se rychle mění zpět v energii kinetickou a využije se u dokonale pružné srážky k odrazu, beze zbytku. U pružné srážky se část energie mění v energii kmitavého pohybu částic tělesa (zahřátí těles).

Známe tři podoby srážek, které lze popsat modelem dokonale pružné srážky:

  1. Pohybující se těleso narazí do statického tělesa, přičemž působí při rázu centrální silou46 (Např. kulečníková koule narazí do stojící koule a zůstane stát, přičemž původně statická koule si převezme její rychlost.) V obecném případě (různé hmotnosti koulí) předá pohybující se koule veškerou hybnost kouli stojící.
  2. Srazí se dvě tělesa s opačnými rychlostmi, vymění si hybnosti.
  3. První těleso je rychlejší nežli druhé těleso a obě se před srážkou pohybují ve stejném směru. Opět si vymění hybnost. Tento případ přibližně nastává, když rychlejší běžec na lyžích při sjezdu dojede ve stopě pomalejšího a dotykem mu předá svou hybnost. Současně získá hybnost vedoucího závodníka47.

Nepružné srážky

Ne všechny srážky jsou pružné. U dokonale nepružných srážek je hybnost také zachována, ale po srážce se obě tělesa pohybují společně ve stejném výsledném směru. Potom platí:

kde u je výsledná společná rychlost. Většina srážek v rugby jsou téměř nepružné srážky. Oba hráči se pohybují po srážce stejným směrem. Může rychlejší a lehčí hráč rugby při srážce být úspěšnější než těžký, ale pomalejší hráč?

Představme si situaci, kdy se obránce o hmotnosti 80 kg srazí se 120 kg útočníkem. Těsně před srážkou má obránce rychlost 6 m/s a útočník rychlost -5 m/s , tedy opačného směru. Bude se útočník pohybovat dál dopředu a skórovat nebo bude zastaven?

Útočník bude pokračovat dál ve směru svého pohybu rychlostí 0,6 m/s společně s obráncem a pravděpodobně bude skórovat.

Většina srážek ve sportu není ani dokonale pružná ani dokonale nepružná.



42 V anglických odborných textech se můžeme setkat se značením lineární hybnosti velkým písmenem L.Zpět

43 Kde o je nulový vektor.Zpět

44 Kde o je nulový vektor.Zpět

45 Dokonale pružná srážka těles neexistuje, jedná se pouze o model zjednodušující reálnou situaci. Přesto se některé srážky svými vlastnostmi tomuto modelu velmi blíží.Zpět

46 Pojem centrální síla je vysvětlen v kapitole Momenty síly: Příčiny otáčivého pohybu a udržování rovnováhy.Zpět

47 Zanedbáváme nepružné deformace lidských těl a pohyby v kloubech.Zpět