Экспериментальное задание «Изучение влияния физических нагрузок на частоту пульса и давление школьника»

Областной телекоммуникационный образовательный проект «Удивительный мир физики» 2015/2016 учебного года

http://projects.edu.yar.ru/physics/15-16/

2 тур

Возрастная номинация 9 класс

Команда «Физика и фантазия»

МАОУ лицей №38

г. Нижний Новгород, Нижегородская область

Экспериментальное задание

Тема: Зависимость частоты пульса от физических нагрузок.

Цель работы: установить зависимость частоты пульса от физических нагрузок: бег, прыжки, отжимания, приседания.

Приборы и материалы: тонометр, метр, секундомер, фотокамера.

Обоснование: при выполнении физических упражнений совершается работа мышцами, происходит изменение энергии, изменяется ритм дыхания и ритм сокращения сердечной мышцы, следовательно, пульс у среднестатистического человека должен измениться.

Теоретический материал

По теме исследования мы собрали теоретически материал об особенностях работы мышц при физических нагрузках.

Среди многочисленных физиологических функций организма двигательная функция является единственной, обеспечивающей активное воздействие человека на внешнюю среду, преодоление ее сопротивления, приспособление к условиям внешней среды. Движения человека подчиняются законам механики.

С точки зрения механики, человек представляет собой систему подвижно соединенных звеньев, обладающих определенными раз­мерами, массой, моментами инерции и снабженных мышечными двигателями.

Анатомическими структурами, образующими эти звенья и со­единения являются кости, сухожилия, мышцы и фасции, фиб­розные и синовиальные соединения костей, а также внутренние органы, кожа и т.д.

Сокращение мышц, сила мышц

Величина сокращения (степень укорочения) мышцы при данной силе раздражения (т. е. при данном числе активированных волокон) зависит как от ее морфологических свойств, так и от физиологического состояния. Длинные мышцы сокращаются на большую величину, чем короткие. Умеренное растяжение мышцы увеличивает ее сократительный эффект; при сильном растяжении сокращение мышцы ослабляется. Если в результате длительной работы развивается утомление мышцы, то величина ее сокращения снижается.

Для измерения силы мышцы определяют либо тот максимальный груз, который она в состоянии поднять, либо максимальное напряжение, которое она может развить в условиях изометрического сокращения. Эта сила может быть очень велика. Одиночное мышечное волокно способно развить напряжение 100—200 мг. Учитывая, что общее количество мышечных волокон в теле человека приблизительно 15—30 млн., они могли бы развить напряжение в 20—30 т, если бы все одновременно тянули в одну сторону.

Сила мышцы при прочих равных условиях зависит от ее поперечного сечения. Чем больше физиологическое поперечное сечение мышцы, т. е. сумма поперечных сечений всех ее волокон, тем больше тот груз, который она в состоянии поднять. Физиологическое поперечное сечение совпадает с геометрическим только в мышцах с продольно расположенными волокнами; у мышц с косым расположением волокон сумма поперечных сечений может значительно превышать геометрическое поперечное сечение самой мышцы. По этой причине сила мышцы с косо расположенными волокнами значительно больше, чем сила мышцы той же толщины, но при продольном расположении волокон. Чтобы иметь возможность сравнивать силу разных мышц, максимальный груз, который в состоянии поднять мышца, делят на площадь ее физиологического поперечного сечения.. Абсолютная сила икроножной мышцы человека равна 5,9 кг/см2, сгибателя плеча — 8,1 кг/см2, жевательной мышцы — 10 кг/см2, двуглавой мышцы плеча — 11,4 кг/см2, трехглавой мышцы плеча — 16,8 кг/см2, гладких мышц— 1 кг/см2.

Прыжок

При прыжках обе ноги после сгибания в главных своих суставах (тазобедренных, коленных, голеностопных) выпрямляются быстрым и сильным сокращением разгибателей и отрываются от земли толчком, который передается телу. При этом прыжок или совершается на месте — тело поднимается в вертикальном направлении, или же телу сообщается поступательное движение вперед и вверх. Чем быстрее человек бежит, тем дальше он может прыгнуть. Кинетическая энергия бега может также при известных обстоятельствах использоваться для прыжков в высоту. На этом принципе основаны прыжки с шестом. Перед прыжком центр тяжести уже находится на высоте около 90 см над землей, а во время прыжка оказывается лишь немного выше планки. Например, при использовании метода «вестерн-ролл» центр тяжести (ЦТ) тела может подниматься над планкой на высоту около 15 см.

Когда человек прыгает «с места», каждая из участвующих в этом акте мышц сокращается только один раз. Максимальная сила, раз­виваемая мышцей, пропорциональна площади ее поперечного сечения. Возможное укорочение мышцы пропорционально ее дли­не. Следовательно, работа, которую она может совершить при оди­ночном сокращении, пропорциональна произведению ее длины на площадь поперечного сечения, т. е. ее объему. Мышцы одинаково­го объема (или веса) способны совершать одинаковую работу. Представим теперь тело, масса которого т, а мышцы, участ­вующие в прыжке, — масса т'. Пусть эти мышцы при одиночном сокращении способны совершать работу Km'. Эта работа равна ки­нетической энергии, которую приобретает тело при отрыве от земли. Так можно определить скорость прыжка:

Бег

Бег — способ передвижения, при котором фаза опоры одной ногой чередуется с безопорной фазой полета, когда обе ноги находятся в воздухе.

Кинематографическим методом выявлены фазы бега, или цикл движений, начинающийся касанием одной из ног земли и продол­жающийся до тех пор, пока эта же нога вновь не коснется земли. Каждый цикл включает фазу опоры на одну ногу и фазу маха (т. е. возвращение ноги вперед), когда тело не опирает­ся на эту ногу.

Полный двигательный цикл начина­ется в момент отталкивания правой ногой и заканчивается в положении, когда левая нога снова покидает землю. Момент постановки и отталкивания используются для выделения раз­личных фаз бегового цикла.

При умеренных скоростях бега мах ногой длится примерно втрое дольше, чем опорный период. В течение фазы возвращения вперед имеется два периода, ко­гда тело находится в воздухе: один — непосредственно после отрыва данной конечности, и второй — следующий за отрывом от земли про­тивоположной ноги.

Опорный период. Период опоры, при котором тело продолжает двигаться вперед. В последней стадии фазы опо­ры тело снова выталкивается вперед. Второй безопорный пе­риод заканчивается, когда правая нога касается земли и затем тело поворачивается относительно опорной ноги до тех пор, пока она не отталкивается от земли, давая начало новому циклу бега.

От скорости бега зависит, какая часть ступни первой касается земли. Так, кинематографический анализ бега показывает, что при малых скоростях нога ставится на опору с пятки или на всю ступ­ню, а при более высоких скоростях опора начинается с латераль­ной стороны ступни.

Движение в суставах опорной конечности, определяемых кине­матографическим методом свидетельствуют, что немедленно после контакта ступни с землей в течение короткого промежутка време­ни в коленном суставе продолжается сгибание, а в голеностопном происходит тыльное сгибание. Когда центр тяжести (ЦТ) обгоняет опорную ногу и опорное бедро наклоняется вперед от вертикали, голеностопный сустав сгибается, а в коленном и тазобедренном суставах происходит разгибание, в результате чего ЦТ продвига­ется в направлении вверх и вперед.

Отмечено, что в опорной фазе точкой опоры рычажной системы нижней конечности является по­ясничный отдел позвоночника.

Период опоры при увеличении скорости бега значительно умень­шается. В опорном периоде выделяют фазы амортизации и отталки­вания. В фазе отталкивания суставы опорной ноги разгибаются. При беге выявлены вертикальные колебания тела, которые носят волно­образный характер (по движениям головы, таза, центра тяжести).

Отмечено, что в период опоры ЦТ снижается, а в фазе отталки­вания — поднимается. Вертикальное снижение во время периода опоры не такое большое, как вертикальное падение в фазе полета.

Маховое движение ноги. Анализ бега спринтеров показы­вает, что когда маховая конечность движется вперед, то сгибание колена и пронос пятки выполняются бегуном ближе к тазу. Второй характерной чертой является высокий подъем колена; бедро пово­рачивается до горизонтали перед телом в момент, когда противопо­ложная опорная нога покидает землю. Угол между бедром и горизонталью, проведенной через тазобедренный сустав, становится меньше, когда бедро поднимается ближе к горизонтали.

Движение ноги при беге можно разделить на две фазы. Во вре­мя контакта с землей нога поддерживает тело и выталкивает его вперед. После отталкивания нога движется из положения сзади в положение впереди туловища — эта фаза маха (переноса) или фаза возвращения ноги.

Когда стопа касается земли, суставы ноги (тазобедренный, ко­ленный, голеностопный) кратковременно сгибаются, амортизируя приземляющееся тело. Как только тело продвинулось достаточно вперед, конечность разгибается, двигая тело вверх и вперед.

Длительность сгибания и разгибания колена во время периода опоры уменьшается при увеличении скорости. Обнаружено, что во время опоры высококвалифицированные бегуны полностью и быстро разгибают тазобедренный сустав, делая это раньше, чем стопа покидает землю (точку опоры, место отталкивания).

Обнаружено, что при максимальном проталкивании высококва­лифицированный спортсмен выносит коленный сустав маховой но­ги вверх-вперед тела. В начале фазы маха, когда бедро быстро сгибается в тазобед­ренном суставе, происходит также быстрое сгибание голени в ко­ленном суставе.

Частота шага увеличивается со скоростью бега и она выше в короткий период начального ускорения, чем при беге на дистанции. Но линейная зависимость между частотой шага и скоростью бега наблюдается лишь до скорости примерно 6,1м/с, увеличение скорости за этой точкой происходило больше за счет частоты, чем длины шага .G.H. Dyson показал, что частота шага соревнующихся спортсменов высокого класса меняется в пределах 4,5—5,0 шагов в секунду.

План проведение эксперимента

Внимательно ознакомившись с теорией вопроса, мы постарались использовать рекомендации при проведении исследования.

Для проведения эксперимента мы составили команду 2 мальчика и 2 девочки.

До выполнения каждого задания с помощью тонометра мы измеряли артериальное давление и пульс.

После выполнения физических упражнений мы проводили повторные измерения этих параметров.

Участник 1 и участник 2 пробежали дистанцию 10м, а после отдыха 20м.

Участник 1 и участник 2 сначала отжались по 10 раз, а после отдыха по 20 раз.

Для участницы 1 и участницы 2 оценили мощность. Вычислили механическую работу по подъему по лестнице и, разделив на время, определили мощность.

Участница 1 и участница 2 выполнили прыжки с места вверх. По пяти прыжкам мы оценили среднюю высоту прыжка и мощность при прыжке. До и после прыжков измеряли давление и пульс тонометром.

Участница 1 и участница 2 выполнили по 15 приседаний, а после отдыха по 30. До и после приседаний мы измеряли давление и пульс.

Результаты всех экспериментов занесли в таблицы.

Опыт №1

Определить максимальную мощность при подъёме на лестнице. Подсчитали минимальное время tmin необходимое для подъёма на один пролёт лестницы. Измерили высоту h ступни, число ступней n и массу тела m.

( см. таблица 1)

Опыт 2

Определи максимальную мощность при прыжке в высоту с места без разбега. Измерив время толчка t, массу m тела и максимальную высоту h прыжка.

(см. таблица 2)

Время толчка можно оценить, зная путь s, на котором действует сила мышц ног при разгибании колен, и скорость v, с которой человек отрывается от Земли.

Результаты опытов 1 и 2

Рост, вес, телосложение участниц почти одинаково, но развивают они разную мощность.

Таблица 1

S – путь, на котором действует сила мышц ног

Таблица 2

Сравнение

Нина более спортивная, чем Таня, поэтому у Тани «скачки» показателей больше.

Опыт 3

Во время опыта участницы приседали.

Изменение пульса у Нины происходит незначительно, а у менее тренированной Тани - значительно (до 30% и более)

Опыт 4

Два участника примерно одной комплекции (вес, рост, телосложение) пробегали дистанции.

У менее спортивного Алексея изменение показателей больше, чем у Антона.

Опыт 5

Вывод: в ходе исследования получили достаточно противоречивые показатели. Считаем, что при снятии показаний по тонометру нарушали правила обращения с прибором. Для получения более достоверных результатов нужна большая статистика. Однако выяснили следующее:

у более тренированного человека разброс показателей меньше, сам участник быстрее восстанавливается.

пульс учащается при выполнении физических упражнений.

в конце экспериментов организм адаптировался к условиям экспериментов.

Фотоотчет