Website Olahraga

Kerja, Energi, Dan Tenaga [BIOMEKANIK]

Wednesday, March 11, 2015

Kerja, Energi, Dan Tenaga [BIOMEKANIK]

Hubungan antara mekanisme kerja dan energi memberikan jawaban atas pertanyaan penyebab-penyebab gerakan tanpa Newton. Postingan ini memperkenalkan mekanisme kerja dan energi dan membahas bahan-bahan mengenai penggunaan hubungan mekanisme gerak dan energi di dalam analisa sebuah gerakan. Adapun hal-hal yang berkaitan dengan hubungan mekanisme gerak dan energi sebagai berikut:

1.  Menguraikan mekanisme kerja.
2.  Membedakan atau menguraikan kegiatan positif dan negatif
3.  Menguraikan energi.
4.  Menguraikan energi kinetik
5.  Menguraikan energi potensial gravitasi
6.  Menguraikan tegangan energi
7.  Menguraikan hubungan mekanisme kerja dan energi
8.  Menjelaskan daya Ledak

Bagian ini melanjutkan pengetahuan tentang gerak linear yang sudah dimulai pada bagian sebelumnya. Penjelasan-penjelasan mengenai sebab gerak dijelaskan pada bagian ini tidak tergantung pada hukum gerak Newton, tetapi lebih pada hubungan antara kerja, energi, dan tenaga, yang telah ditemukan dan dikembangkan oleh beberapa ilmuwan yang berbeda dalam dua abad setelah prestasi Isaac Newton. Secara teori, yang kita semua butuhkan untuk menganalisa dan menjelaskan gerak linear adalah hukum gerak Newton. Tapi beberapa analisa dan penjelasan lebih mudah jika didasarkan pada hubungan kerja dan energi daripada mekanika Newton. Jadi bagian ini akan memberikan perangkat lebih untuk menganalisa dan menjelaskan kemampuan olahraga.

Secara teoritis semua yang kita butuhkan untuk dianalisa dan dijelaskan adalah mengikuti gerakan Newton. Tetapi beberapa analisa dan penjelasan Iebih mudah jika berdasarkan kerja dan hubungan energi dari pada harus mengikuti mekanisme   newton.

A.    Kerja

Apa itu kerja? Ada banyak definisi untuk kerja. Webster’s New World Dictionary menggunakan hampir seluruh kolom (setengah halaman) untuk menyusun semua macam-macam definisi kerja. Kerja adalah hasil dari gaya dan jumlah perpindahan ke arah gaya itu (itu adalah cara dimana energi dipindahkan dari satu objek atau sistem ke sistem lain).

Secara matematika, ini dapat dinyatakan sebagai berikut :
U =F(d)
Keterangan :
U = kerja yang dilakukan pada object (huruf W akan menjadi singkatan yang lebih baik untuk bekerja, tapi kami sudah menggunakannya untuk menggambarkan berat).
F =  gaya yang diterapkan pada suatu benda
d =  perpindahan dari suatu objek sepanjang garis aksi gaya

Karena kerja adalah hasil dari gaya dan perpindahan, maka satuan untuk kerja adalah satuan gaya kali satuan panjang. These may be ft (Feet=panjang).lb(ponds=berat) atau Nm (Newton meter), 1ft.lb = 1,305 Nm. Dalam sistem satuan internasional, joule (disingkat dengan huruf J) adalah satuan dari pengukuran untuk kerja, 1 J sama dengan 1 Nm. Joule itu berasal dari nama James Prescott Joule (seorang anak inggris dari pengusaha bir yang akhirnya menetapkan hukum kekekalan energi melalui praktik percobaan...).

■ Kerja adalah hasil dari gaya dan perpindahan.

Kerja dapat menjadi positif atau negatif. Kerja yang positif dilakukan oleh gaya yang bekerja pada objek jika objek dipindahkan ke arah yang sama dengan gaya. pitcher melakukan kerja positif terhadap bisbol ketika melemparnya. angkat besi seorang melakukan kerja positif terhadap berat saat mengangkat atau menaikkannya. pesenam melakukan kerja positif ketika menarik di atas bar yang tidak rata. Seorang atlet lompat tinggi melakukan kerja positif ketika melompat dari tanah. Pekerjaan Negatif dilakukan oleh gaya yang bekerja pada objek ketika objek dipindahkan ke arah yang berlawanan dengan gaya yang bekerja di atasnya. Seorang baseman pertama melakukan kerja negatif terhadap bola ketika menangkapnya. Seorang Angkat besi melakukan kerja negatif terhadap berat ketika menurunkannya. Seorang pesenam melakukan kerja negatif ketika mendarat dari suatu turunan. Gesekan terjadi kerja negatif pada pemain ski yang meluncur ke bawah bukit. ■ Kerja yang positif dilakukan oleh gaya yang bekerja pada objek jika objek dipindahkan ke arah yang sama dengan gaya. Kerja negatif dilakukan oleh gaya yang bekerja pada objek ketika objek dipindahkan ke arah yang berlawanan dengan gaya yang bekerja di atasnya.

Otot juga dapat melakukan kerja mekanik. Ketika kontraksi otot, itu menarik pada titik nya perlekatan, pekerjaan Positif dilakukan oleh otot ketika kontraksi dan titik yang bergerak perlekatan pada arah gaya otot yang menarik nya. Kekuatan (gaya otot) dan perpindahan (perpindahan pada titik perlekatan otot) berada dalam arah yang sama. Otot lebih pendek, dan kontraksi otot adalah kontraksi konsentris.

Kerja negatif dilakukan oleh otot ketika kontraksi dan titik yang bergerak perlekatan ke arah yang berlawanan dari gaya otot yang menarik nya. Kekuatan (gaya otot) dan perpindahan (perpindahan pada titik perlekatan otot) berada dalam arah yang berlawanan. Otot memanjang, dan kontraksi otot adalah kontraksi eksentrik.

Tidak semua kontraksi otot menghasilkan kerja mekanikal. Otot dapat berkontraksi dan melakukan kerja mekanikal nol. Hal ini terjadi ketika kontraksi otot dan titik dari keterikatan tidak bergerak relatif satu sama lain. Perpindahan pada titik perlekatan otot adalah nol. Panjang otot tetap tidak berubah, dan kontraksi otot adalah kontraksi isometrik.

B.     Energi

Apa itu energi? Seperti kerja, energi adalah istilah yang memiliki banyak arti. Dalam mekanika, energi didefinisikan sebagai kapasitas untuk melakukan kerja. Ada banyak bentuk energi: panas, cahaya, suara, kimia, dan sebagainya. Dalam mekanika, kita sangkutkan terutama dengan energi mekanik, yang datang dalam dua bentuk: energi kinetik dan energi potensial. Energi kinetik adalah energi karena gerakan, sedangkan energi potensial adalah energi karena posisi.

Energi mekanik datang dalam dua bentuk: energi kinetik, yang merupakan energi karena gerakan, dan energi potensial, yang merupakan energi karena posisi.

1.      Energi Kinetik

Energi kinetik suatu benda dipengaruhi oleh massa dan kecepatan objek. Jika kita membuat pengukuran lebih tepat, kita akan menemukan bahwa energi kinetik sebanding dengan kuadrat kecepatan. Secara matematis, kita mendefinisikan energi kinetik sebagai berikut;

EK = 1/2 mv2
Keterangan:
EK = energi kinetik, m = massa, v = kecepatan

Satuan untuk energi kinetik adalah satuan massa kali kuadrat kecepatan, atau kg (m2/s2), tapi ini sama dengan [kg (m/s2)] m, yang setara dengan Nm, yang merupakan satu joule. Satuan ukuran untuk energi kinetik adalah sama sebagai satuan pengukuran untuk kerja. Untuk menentukan energi kinetik dari sebuah obyek, kita harus tahu massa dan kecepatannya.

Menentukan energi kinetik suatu benda lebih mudah daripada menentukan kerja yang dilakukan oleh suatu gaya, karena kita dapat mengukur massa dan kecepatan lebih mudah daripada kita bisa mengukur gaya.

2.      Energi potensial

Energi potensial adalah energi (kapasitas untuk melakukan kerja) yang dimiliki sebuah objek karena posisinya. Ada dua jenis energi potensial: energi potensial gravitasi, yang merupakan energi karena posisi suatu objek relatif terhadap bumi dan energi regangan yang disebabkan oleh deformasi obyek.

a.       Energi Potensial Gravitasi

Energi potensial gravitasi merupakan energi potensial karena posisi suatu objek relatif terhadap bumi. Energi potensial gravitasi suatu benda berhubungan dengan berat benda dan elevasi atau ketinggian di atas tanah atau beberapa referensi.

Secara matematis, energi potensial gravitasi didefinisikan sebagai berikut:
PE = Wh
atau
PE = mgh

Keterangan:
PE = energi potensial gravitasi W = berat m = massa
g = percepatan gravitasi = 9,81 m / s / s
h = tinggi

Satuan untuk energi potensial adalah satuan gaya kali satuan panjang, atau Nm, yang setara dengan joule, satuan yang sama ukuran seperti untuk energi kinetik dan kerja. Untuk menentukan energi potensial gravitasi obyek, kita harus tahu berat dan tinggi di atas tanah.

b.      Energi regangan

Tipe lain dari energi potensial yang juga digunakan dalam olahraga. Energi regangan adalah energi akibat deformasi dari sebuah obyek. Ketika fiberglass melompati tikungan tiang, energi regangan disimpan dalam tiang bengkok. Semakin besar deformasi obyek, semakin besar energi regangan.

Dalam gerakan manusia dan olahraga, energi yang dimiliki oleh atlet dan benda karena gerakan mereka (energi kinetik), posisi mereka di atas tanah (energi potensial gravitasi), dan deformasi mereka (energi regangan). Kita akan menaruh perhatian terutama pada dua jenis pertama dari energi: energi kinetik dan energi potensial.

c.       Hubungan Kerja-Energi

Definisi kerja dan energi menunjukkan bahwa ada hubungan antara mereka. Sebagai pengingat, energi didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja. Definisi pekerjaan yang termasuk pernyataan ini: "Ini adalah cara dimana energi dipindahkan dari satu objek atau sistem yang lain." Satuan ukuran untuk bekerja dan energi adalah joule-sama untuk setiap kuantitas. Ini adalah satu lagi indikasi bahwa kerja dan energi saling terkait.

■ Kerja yang dilakukan oleh kekuatan-kekuatan eksternal (selain gravitasi) bekerja pada objek menyebabkan perubahan energi objek.

d.      Melakukan Kerja untuk Meningkatkan Energi

Mengapa hubungan antara kerja dan energi begitu penting? Dalam olahraga dan gerakan manusia, kita sering berhubungan dengan mengubah kecepatan sebuah benda. Mengubah kecepatan berarti mengubah energi kinetik, dan prinsip kerja-energi menunjukkan bagaimana energi kinetik dapat diubah dengan melakukan kerja. Lebih banyak kerja dilakukan, dengan demikian perubahan besar dalam energi terjadi, jika gaya rata-rata yang diberikan adalah besar atau perpindahan sejalan dengan gaya ini masih panjang. Ini terdengar sangat mirip dengan apa yang kita ditemukan dengan menggunakan hubungan impuls-momentum dalam bab 3.

Menggunakan hubungan impuls-momentum sebagai dasar untuk analisis teknik, penciptaan perubahan besar dalam kecepatan mensyaratkan suatu kekuatan besar diterapkan selama waktu yang lama. Prinsip kerja-energi menunjukkan bahwa produksi dari sebuah perubahan besar dalam energi kinetik (dan dengan demikian perubahan besar dalam kecepatan) mensyaratkan bahwa sebuah kekuatan besar diterapkan melalui jarak jauh.

Pikirkan kembali ke contoh melempar bola. Jika Anda hanya melempar dengan pergelangan tangan Anda, Anda dapat memberikan gaya pada bola melalui perpindahan kecil. Kerja yang dilakukan adalah kecil, dan sebagai hasilnya, perubahan bola dalam energi kinetik kecil. Kecepatan bola ketika meninggalkan tangan Anda lambat.

■ Perubahan besar dalam energi kinetik mensyaratkan suatu kekuatan besar diterapkan melalui jarak jauh.

Jika pergelangan tangan dan siku yang terlibat dalam gerakan melempar, Anda dapat memberikan gaya pada bola melalui perpindahan yang lebih besar. Kerja yang dilakukan pada bola lebih besar, dan sebagai hasilnya, perubahan bola dalam energi kinetik lebih besar. Jadi kecepatan bola ketika bola meninggalkan tangan anda lebih cepat.

Ketika Anda melibatkan seluruh lengan, togok, dan kaki dalam gerakan melempar, Anda dapat menerapkan tenaga untuk bola melalui perpindahan lebih besar. Kerja yang dilakukan pada bola jauh lebih besar, dan sebagai hasilnya, perubahan bola dalam energi kinetik jauh lebih besar juga. Kecepatan bola ketika meninggalkan tangan anda jauh lebih cepat (lebih dari 100 mil / jam untuk beberapa liga utama pitcher).

Sesuatu yang mirip dengan ini benar-benar terjadi dalam evolusi tolakan-menempatkan teknik. Aturan untuk menempatkan tolakan menunjukkan bahwa put harus dibuat dari lingkaran berdiameter 7 kaki. Tolakan-putter harus mulai menempatkan tolakan dari berhenti, tanpa bagian tubuh yang menyentuh apa pun di luar lingkaran ini. Putter harus menyelesaikan put tanpa menyentuh apapun di luar lingkaran sampai hakim telah memerintah put itu adil. Setelah itu putter diizinkan untuk keluar dari "cincin melempar," tapi hanya melalui setengah belakang. Ukuran cincin dengan demikian membatasi seberapa banyak kerja atlet yang dapat dilakukan untuk tembakan dengan membatasi jarak di mana putter dapat mengerahkan kekuatan pada tembakan.

Pada awal abad ke-20, tolakan -Putters mulai put mereka dari belakang ring. Bahu atlet yang selaras sekitar 45 ° ke arah melempar, berarti atlet kidal yang dihadapi sedikit ke kanan. Putter akan melompat di cincin di kaki kanannya dan meletakkan tolakan.

Secara bertahap, teknik ini berkembang, dan bahu putter yang ditolak lebih banyak dan lebih ke arah belakang lingkaran dalam posisi awal. Rotasi bahu lebih besar diperbolehkan putter untuk memulai dari posisi yang memungkinkan untuk perpindahan yang lebih besar dari tolakan sebelum rilis. Akhirnya, pada tahun 1950, Parry O'Brien mulai menempatkan tolakan dari posisi awal di belakang cincin menghadap ke arah berlawanan dari put tersebut. Sikap ini menempatkan dia dalam posisi di mana ia bisa memaksimalkan perpindahan dari tolakan ke arah aplikasi gayanya. Dia juga bisa melibatkan kelompok otot lebih kuat dan memiliki kekuatan yang lebih besar pada tolakan pada aksi putting. Sehingga kerja yang dilakukan pada tolakan itu meningkat. Hal ini meningkatkan perubahan energi (potensial dan kinetik), yang mengakibatkan ketinggian yang lebih besar dan kecepatan tolakan di rilis. Hasilnya adalah put panjang.

e.       Melakukan Pekerjaan untuk Penurunan (atau Menyerap) Energi

Prinsip kerja-energi juga dapat digunakan untuk menjelaskan teknik yang digunakan dalam mentransfer (atau menyerap) energi dari objek. Ketika Anda menangkap bola, energi kinetik berkurang (atau diserap) oleh kerja negatif yang anda lakukan. Demikian pula, otot-otot anda melakukan kerja negatif pada anggota tubuh anda dan menyerap energi mereka ketika anda mendarat dari lompatan atau jatuh. Gaya rata-rata anda harus mengerahkan untuk menyerap energi dalam menangkap bola atau mendarat dari melompat atau jatuh tergantung pada seberapa banyak energi harus diserap dan mengalihkan berapa lama jarak anda dapat menerapkan gaya. Jika gaya ini terlalu besar, mungkin melukai anda. Anda mencoba untuk menguranginya dengan "memberi" dengan bola ketika anda menangkapnya atau dengan meregangkan pada lutut, pergelangan kaki, dan pinggul ketika Anda mendarat dari lompatan atau jatuh. Ingat bagaimana anda menangkap balon air pada bab sebelumnya. Tindakan ini meningkatkan jarak dimana tindakan gaya, sehingga menurunkan nilai rata-rata gaya.

Peralatan keamanan dan pelindung yang digunakan dalam olahraga banyak menggunakan prinsip kerja-energi untuk mengurangi dampak gaya yang berpotensi merusak. Landasan pendaratan yang digunakan dalam senam, lompat tinggi, dan tiang lompat semua meningkatkan perpindahan atlet selama masa dampak, saat energi kinetik atlet menurun (diserap). dampak Gaya dengan demikian menurun karena pemindahan selama dampak meningkat. Pasir di lubang lompat panjang berfungsi sama ketika anda melompat ke dalamnya, seperti halnya air di kolam renang ketika anda menyelam, ke dalamnya, bahan midsole dalam sepatu yang anda pakai ketika anda berlari dengan sepatu, padding dalam sarung tinju ketika anda memukul  dengan itu, kantung udara di dalam mobil ketika anda jatuh, dan sebagainya. Semua bahan-bahan mungkin disebut sebagai "penyerap goncangan," tetapi mereka sebenarnya bahan penyerap energi.

Prinsip ini mungkin berguna dalam memeriksa gerak peluru. Gravitasi adalah satu-satunya kekuatan eksternal yang bekerja pada sebuah peluru. Jika ini benar, energi mekanik total sebuah peluru tidak berubah selama terbang. Mari kita pertimbangkan menjatuhkan bola sebagai contoh. Tepat sebelum Anda melepaskannya, bola memiliki energi potensial tetapi tidak ada energi kinetik. Selama bola jatuh, energi potensial berkurang karena tingginya menurun. Pada saat yang sama, energi kinetik meningkat seperti yang dipercepat ke bawah oleh gravitasi. Peningkatan energi kinetik persis diimbangi dengan penurunan energi potensial, sehingga energi mekanik total bola tetap sama.

■ Energi mekanik total objek adalah konstan jika tidak ada kekuatan eksternal selain tindakan gravitasi pada objek.

Penghematan energi mekanik prinsip memberi kita alat lain untuk menganalisis dan memahami gerak peluru. Hal ini juga dapat memungkinkan kita untuk menganalisis situasi lain di mana kerja tidak dilakukan. Misalnya, pada lompat galah, jika pelompat yang tidak melakukan kerja selama lompat itu sendiri, total energi mekanis pada detik lepas landas harus sama dengan energi mekanik total pada pembukaan bar. Dalam hal ini, energi kinetik pelompat di lepas landas diubah menjadi energi regangan sebagai menekuk tiang, dan ini energi regangan pada gilirannya berubah menjadi energi potensial sebagai pelompat diangkat oleh tiang kaku. Seberapa tinggi pelompat galah dapat lompat tentunya memiliki banyak hubungannya dengan seberapa cepat pelompat dapat berlari.

C.    Tenaga

Kemampuan atlet untuk meningkatkan perpindahan dari suatu obyek (atau bagian tubuh) ketika mengerahkan kekuatan yang akan mempengaruhi kinerja dalam banyak keterampilan. Sukses dalam keterampilan ini sehingga membutuhkan atlet untuk mengerahkan sejumlah besar kerja pada sebuah benda (atau bagian tubuh). Dalam beberapa olahraga, yang mahir memerlukan bukan hanya kemampuan untuk melakukan sejumlah besar kerja, tetapi juga kemampuan untuk melakukan kerja dalam waktu singkat. Tenaga adalah istilah mekanik yang menggambarkan kemampuan ini. Seperti kerja dan energi, tenaga adalah kata lain yang sangat akrab dan yang memiliki arti banyak. Dalam mekanika, tenaga merupakan tingkat dari  melakukan kerja, atau berapa banyak pekerjaan yang dilakukan dalam jumlah waktu tertentu.

Secara matematis, tenaga digambarkan sebagai:      
P = U/∆t
Keterangan:
P = Tenaga,
U = pekerjaan yang dilaksanakan,   
∆t = waktu yang dibutuhkan untuk melakukan kerja

Tenaga dapat dianggap sebagai seberapa cepat atau lambat pekerjaan dilakukan. Satuan SI untuk daya adalah watt (disingkat dengan huruf W), dinamai penemu Skotlandia James Watt; 1 W sama dengan 1 J / s, Anda mungkin akrab dengan watt karena bola lampu, amplifier, dan perangkat listrik lainnya dinilai dalam watt. Lain unit pengukuran untuk daya adalah daya kuda, tapi watt adalah satuan ukuran untuk daya dalam Sistem Satuan Internasional.

■ Tenaga dapat dianggap sebagai seberapa cepat atau lambat pekerjaan dilakukan.

Tenaga dapat didefinisikan sebagai rata-rata kecepatan kekuatan kali rata-rata sepanjang garis aksi gaya itu. Konsep tenaga berguna dalam biomekanik karena beberapa alasan. Cara terbaik untuk menjelaskan salah satu penggunaan tenaga adalah dengan contoh. Misalkan Anda harus memindahkan tumpukan buku-buku dari satu meja ke yang lain, dan Anda ingin menyelesaikan tugas ini secepat mungkin. Ini berarti bahwa anda ingin memaksimalkan tenaga. Sejumlah strategi Anda tersedia untuk Anda, dari memindahkan buku satu per satu untuk memindahkan mereka sekaligus. Jumlah kerja yang dilakukan untuk buku-buku akan sama, tetapi waktu yang diperlukan (dan dengan demikian output tenaga) mungkin berbeda. Membawa seluruh tumpukan sekaligus akan membutuhkan gaya besar, dan gerakan akan lambat. Membawa beberapa buku pada suatu waktu dalam beberapa perjalanan tidak membutuhkan tenaga banyak, dan setiap perjalanan akan lebih cepat. Dalam kasus pertama, Anda mengerahkan gaya besar tapi bergerak dengan kecepatan lambat. Dalam kasus kedua, Anda mengerahkan gaya yang lebih kecil tetapi bergerak dengan kecepatan lebih cepat. Kombinasi kekuatan dan kecepatan menentukan output tenaga.