Прыжки или скачки — это форма локомоции или движения, при которой организм или неживая (например, роботизированная ) механическая система продвигается по воздуху по баллистической траектории. Прыжки можно отличить от бега, галопа и других походок , когда все тело временно находится в воздухе, по относительно большой продолжительности воздушной фазы и большому углу начального запуска.
Некоторые животные, такие как кенгуру , используют прыжки (обычно называемые в данном случае подпрыгиванием ) как основную форму передвижения , в то время как другие, такие как лягушки , используют их только как средство спасения от хищников. Прыжки также являются ключевой особенностью различных видов деятельности и видов спорта, включая прыжки в длину , прыжки в высоту и конкур .
Все прыжки подразумевают приложение силы к субстрату, что в свою очередь создает реактивную силу, которая отталкивает прыгуна от субстрата. Любое твердое тело или жидкость, способные создавать противодействующую силу, могут служить субстратом, включая землю или воду. Примерами последнего являются дельфины, совершающие прыжки с места, и индийские лягушки-бегуны, совершающие прыжки с места из воды.
Прыгающие организмы редко подвергаются воздействию значительных аэродинамических сил , и, как следствие, их прыжки подчиняются основным физическим законам баллистических траекторий . Следовательно, хотя птица может подпрыгнуть в воздух, чтобы начать полет , никакое движение, которое она совершает в воздухе, не считается прыжком, поскольку начальные условия прыжка больше не диктуют траекторию ее полета.
После момента запуска (т. е. первоначальной потери контакта с субстратом) прыгун будет проходить параболическую траекторию. Угол запуска и начальная скорость запуска определяют дальность полета, продолжительность и высоту прыжка. Максимально возможное горизонтальное расстояние полета снаряда достигается при угле запуска 45°, но любой угол запуска от 35° до 55° приведет к девяносто процентам максимально возможного расстояния. Однако угол прыжка для людей, который максимизирует горизонтальное расстояние, меньше и составляет ~23-26° (см. раздел Механика прыжка в длину с места ниже).
Мышцы (или другие приводы в неживых системах) выполняют физическую работу, добавляя кинетическую энергию телу прыгуна в течение фазы толчка прыжка. Это приводит к возникновению кинетической энергии при запуске, которая пропорциональна квадрату скорости прыгуна. Чем больше работы выполняют мышцы, тем больше скорость запуска и, следовательно, больше ускорение и короче временной интервал фазы толчка прыжка.
Механическая мощность (работа в единицу времени) и расстояние, на котором эта мощность применяется (например, длина ноги), являются ключевыми факторами, определяющими дальность и высоту прыжка. В результате многие прыгающие животные имеют длинные ноги и мышцы, которые оптимизированы для максимальной мощности в соответствии с соотношением силы и скорости мышц . Однако максимальная выходная мощность мышц ограничена. Чтобы обойти это ограничение, многие прыгающие виды медленно предварительно растягивают эластичные элементы, такие как сухожилия или аподемы , чтобы сохранять работу в виде энергии деформации. Такие эластичные элементы могут высвобождать энергию с гораздо большей скоростью (более высокой мощностью), чем эквивалентная мышечная масса, тем самым увеличивая энергию запуска до уровней, превышающих то, на что способны одни мышцы.
Прыгун может быть как неподвижным, так и движущимся при начале прыжка. При прыжке с места (т. е. прыжке с места ) вся работа, необходимая для ускорения тела при запуске, выполняется за одно движение. При прыжке с места или прыжке с разбега прыгун вносит дополнительную вертикальную скорость при запуске, сохраняя при этом как можно больше горизонтального импульса. В отличие от стационарных прыжков, в которых кинетическая энергия прыгуна при запуске обусловлена исключительно движением прыжка, движущиеся прыжки имеют более высокую энергию, которая возникает из-за включения горизонтальной скорости, предшествующей прыжку. Следовательно, прыгуны могут прыгать на большие расстояния, начиная с разбега.
Животные используют широкий спектр анатомических приспособлений для прыжков. Эти приспособления касаются исключительно запуска, поскольку любой послезапускной метод увеличения дальности или управления прыжком должен использовать аэродинамические силы и, таким образом, считается планированием или парашютированием .
Водные виды редко демонстрируют какие-либо особые специализации для прыжков. Те, кто хорошо прыгают, обычно в первую очередь приспособлены к скорости и выполняют прыжки в движении, просто подплывая к поверхности с высокой скоростью. Несколько преимущественно водных видов, которые могут прыгать, находясь на суше, например, илистые прыгуны , делают это с помощью взмаха хвоста.
У наземных животных основной движущей структурой являются ноги, хотя некоторые виды используют хвосты. Типичные характеристики прыгающих видов включают длинные ноги, большие мышцы ног и дополнительные элементы конечностей.
Длинные ноги увеличивают время и расстояние, на которое прыгающее животное может отталкиваться от субстрата, тем самым обеспечивая большую силу и более быстрые, более дальние прыжки. Большие мышцы ног могут генерировать большую силу, что приводит к улучшению результатов прыжков. В дополнение к удлиненным элементам ног, многие прыгающие животные имеют модифицированные кости стопы и лодыжки, которые удлинены и обладают дополнительными суставами, эффективно добавляя больше сегментов к конечности и еще большую длину.
Лягушки являются прекрасным примером всех трех тенденций: лягушачьи лапки могут быть почти в два раза длиннее тела, мышцы ног могут составлять до двадцати процентов веса тела, и они не только удлинили стопу, голень и бедро, но и расширили кости лодыжки в другой сустав конечности и аналогичным образом расширили бедренные кости и приобрели подвижность в крестце для второго «дополнительного сустава». В результате лягушки являются бесспорными чемпионами по прыжкам среди позвоночных, прыгая более чем на пятьдесят длин тела, на расстояние более восьми футов. [1]
Кузнечики используют упругое накопление энергии для увеличения дальности прыжка. Хотя выходная мощность является основным фактором, определяющим дальность прыжка (как отмечено выше), физиологические ограничения ограничивают мышечную мощность примерно 375 Вт на килограмм мышц. [2] Чтобы преодолеть это ограничение, кузнечики закрепляют свои ноги с помощью внутреннего «механизма захвата», в то время как их мышцы растягивают эластичную аподему (похожую на сухожилие позвоночного ). Когда захват отпускается, аподема быстро высвобождает свою энергию. Поскольку аподема высвобождает энергию быстрее, чем мышца, ее выходная мощность превышает мощность мышцы, которая вырабатывала энергию.
_arp.jpg/1280px-Morcycle_jumping_at_a_country_fair_(England)_arp.jpg)
Это аналогично тому, как человек бросает стрелу вручную, а не с помощью лука; использование эластичного хранилища (лука) позволяет мышцам работать ближе к изометрии на кривой сила-скорость . Это позволяет мышцам выполнять работу в течение более длительного времени и, таким образом, производить больше энергии, чем они могли бы в противном случае, в то время как эластичный элемент высвобождает эту работу быстрее, чем могут мышцы. Использование эластичного хранилища энергии было обнаружено у прыгающих млекопитающих, а также у лягушек, с соразмерным увеличением мощности в диапазоне от двух до семи раз по сравнению с эквивалентной мышечной массой. [3]
Одним из способов классификации прыжков является способ переноса ноги. [4] В этой системе классификации выделяют пять основных форм прыжков:
Прыжковые походки, которые отличаются от беговых походок (см. Локомоция ), включают галоп , скачки и рысью или подпрыгивание. [5] Некоторые источники также различают подпрыгивание как циклическое движение повторяющихся прыжков, используемое для поддержания энергии от одного прыжка к другому. [6]
Оптимальный угол отталкивания для прыжка в длину с места (выполняемого человеком) теоретически рассчитан как ~22,6°, [7] что существенно ниже оптимального угла отталкивания для снаряда (т. е. 45°). [8] Это связано с тем, что скорость отталкивания уменьшается с углом отталкивания из-за конфигурации тела прыгуна. [7] Было показано, что опытные паркурщики используют угол отталкивания ~25,6°, тогда как начинающие трейсеры используют угол ~34°. [9] Опытные спортсмены также сильнее размахивают руками и откидываются назад перед отталкиванием. Эти факторы помогают паркурщикам выполнять более длинные прыжки с места, чем новичкам. [9]
(Официальный) мировой рекорд по прыжкам в длину с места среди мужчин составляет 371 см, а среди женщин — 292 см (оба по состоянию на июнь 2023 года). Эти показатели были достигнуты Арне Тверваагом и Аннелин Маннес соответственно. [10] Расстояние прыжков в длину с места составляет от 146,2 см до 219,8 см (от 10-го до 90-го процентиля) для 18-летних мужчин и от 100 см до 157 см для 18-летних женщин. [11]
Высоту прыжка можно увеличить, используя батут или преобразуя горизонтальную скорость в вертикальную с помощью такого устройства, как хаф-пайп .
Различные упражнения могут использоваться для увеличения высоты вертикального прыжка спортсмена. Одна из категорий таких упражнений — плиометрика — использует повторение отдельных прыжковых движений для увеличения скорости, ловкости и мощности.
Исследования показали, что дети, которые более физически активны, демонстрируют более совершенные прыжковые навыки (наряду с другими базовыми двигательными навыками). [12]
Также отмечается, что развитие прыжков у детей напрямую связано с возрастом. По мере взросления детей, становится очевидным, что их прыжковые способности во всех формах также увеличиваются. Развитие прыжков легче определить у детей, чем у взрослых, из-за того, что в более молодом возрасте существует меньше физических различий. Взрослые одного и того же возраста могут сильно отличаться по физическим данным и атлетизму, что затрудняет определение того, как возраст влияет на прыжковые способности. [13]
В 2021 году исследователи внедрили храповые механизмы в конструкцию робота и создали робота, способного прыгать более чем на тридцать метров по вертикали. [14]
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )
