Zadanie Zadanie 6.3.1: Równowaga ciała człowieka i rola przeciwwagi przy sięganiu po przedmiot
- Punkty
- 5 pkt
- Dział
- Bryła sztywna · Środek ciężkości i energia potencjalna bryły sztywnej
- Trudność
- Poziom trudności: łatwe
Podczas prac montażowych pracownik stoi przed stołem i sięga po detal położony w pewnej odległości. Aby nie stracić równowagi, człowiek intuicyjnie unosi i odchyla w tył jedną nogę. Przeanalizujmy warunki równowagi statycznej takiego układu.
Przyjmijmy uproszczony model biomechaniczny człowieka o łącznej masie :
- Tułów wraz z głową i wyciągniętymi rękami ma masę . Podczas sięgania w przód jego środek masy przesuwa się w poziomie o względem osi pionowej przechodzącej przez staw skokowy stopy podporowej.
- Druga noga o masie zostaje oderwana od podłoża i odchylona w tył tak, że jej środek masy przemieszcza się w poziomie o odległość w tył od osi stopy podporowej.
- Pozostała część ciała (noga podporowa oraz miednica) ma masę , a jej środek masy pozostaje w osi pionowej stopy podporowej ().
Dopuszczalne bezpieczne przesunięcie wypadkowego środka ciężkości ciała w poziomie, gwarantujące, że jego rzut nie wyjdzie poza wielokąt podparcia stopy, wynosi maksymalnie w przód od osi stopy podporowej.
a) Oblicz minimalne przesunięcie poziome środka masy odchylonej nogi w tył, które zagwarantuje spełnienie warunku stabilności ().
b) Wyjaśnij, dlaczego sięgnięcie po odległy przedmiot bez odchylania nogi w tył i bez odrywania stóp prowadzi do utraty równowagi, odwołując się do pojęć środka ciężkości, pola podparcia i momentu sił.
Odpowiedź i wynik końcowy
a) Minimalne przesunięcie środka masy odchylonej w tył nogi wynosi:
b) Bez odchylenia nogi () wypadkowy środek masy przesuwa się w przód na odległość:
Ponieważ , rzut środka ciężkości wychodzi poza pole podparcia stóp. Powstaje niezrównoważony moment siły grawitacji względem krawędzi podparcia, powodujący obrót ciała do przodu i utratę równowagi (upadek).
a: Minimalne przesunięcie środka masy odchylonej w tył nogi wynosi:
b: Bez odchylenia nogi () wypadkowy środek masy przesuwa się w przód na odległość:
Ponieważ , rzut środka ciężkości wychodzi poza pole podparcia stóp. Powstaje niezrównoważony moment siły grawitacji względem krawędzi podparcia, powodujący obrót ciała do przodu i utratę równowagi (upadek).