Введение
Форма движения, при которой организм или механическая система приводит себя в состояние полёта, физическое действие прыжка. Прыжки – это форма передвижения, при которой организм или неживая (например, роботизированная) механическая система перемещается по воздуху по баллистической траектории. Прыжки отличаются от бега, галопа и других видов передвижения, при которых всё тело временно отрывается от земли, относительно большой продолжительностью фазы полёта и высоким углом начального разгона. Некоторые животные, такие как кенгуру, используют прыжки (в данном случае обычно называемые скачками) как основной способ передвижения, в то время как другие, например, лягушки, используют их только для спасения от хищников. Прыжки также являются ключевым элементом различных видов деятельности и спорта, включая прыжки в длину, прыжки в высоту и конкур.
the physical act of jumping
Jumping or leaping is a form of locomotion or movement in which an organism or non living (e. g., robotic) mechanical system propels itself through the air along a ballistic trajectory. Jumping can be distinguished from running, galloping and other gaits where the entire body is temporarily airborne, by the relatively long duration of the aerial phase and high angle of initial launch. Some animals, such as the kangaroo, employ jumping (commonly called hopping in this instance) as their primary form of locomotion, while others, such as frogs, use it only as a means to escape predators. Jumping is also a key feature of various activities and sports, including the long jump, high jump and show jumping.
Физика
Все прыжки включают в себя приложение силы к субстрату, который, в свою очередь, генерирует реактивную силу, отталкивающую прыгуна от субстрата. В качестве субстрата может служить любое твердое или жидкое вещество, способное создавать встречное сопротивление, включая землю или воду. Примерами могут служить дельфины, выполняющие прыжки в движении, и индийские лягушки-скандилоры, совершающие прыжки в положении стоя из воды. Прыгающие организмы редко испытывают значительное аэродинамическое воздействие и, как следствие, их прыжки подчиняются основным физическим законам баллистических траекторий. Таким образом, хотя птица может оттолкнуться от земли, чтобы начать полет, любое движение, выполняемое ею в воздухе, не считается прыжком, поскольку начальные условия прыжка больше не определяют траекторию полета. После момента отрыва (то есть начальной потери контакта с субстратом) прыгун движется по параболической траектории. Угол отталкивания и начальная скорость отталкивания определяют дальность, продолжительность и высоту прыжка. Максимальная горизонтальная дальность для снаряда достигается при угле отталкивания в 45°, однако любой угол отталкивания между 35° и 55° обеспечивает девяносто процентов от максимальной дальности. Однако угол прыжка для человека, максимизирующий горизонтальную дальность, составляет примерно 23–26° (см. раздел «Механика прыжка в длину с места» ниже). Мышцы (или другие приводы в неживых системах) совершают физическую работу, добавляя кинетическую энергию телу прыгуна в течение фазы отталкивания. Это приводит к кинетической энергии в момент отрыва, которая пропорциональна квадрату скорости прыгуна. Чем больше работы выполняют мышцы, тем выше скорость отталкивания, ускорение и короче временной интервал фазы отталкивания. 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, оптимизированные для максимальной мощности в соответствии с зависимостью силы и скорости мышц. Однако максимальная мощность мышц ограничена. Чтобы обойти это ограничение, многие прыгающие виды медленно предварительно растягивают эластичные элементы, такие как сухожилия или аподемы, для накопления работы в виде энергии деформации. Такие эластичные элементы могут высвобождать энергию с гораздо более высокой скоростью (большей мощностью), чем эквивалентная мышечная масса, тем самым увеличивая энергию отталкивания до уровней, превышающих возможности одних только мышц. Прыгун может находиться в неподвижном состоянии или двигаться при начале прыжка. При прыжке с места (то есть прыжке стоя) вся работа, необходимая для ускорения тела в момент отрыва, выполняется в одном движении. При прыжке в движении или прыжке с разбега прыгун добавляет дополнительную вертикальную скорость в момент отрыва, максимально сохраняя при этом горизонтальный импульс. В отличие от прыжков с места, в которых кинетическая энергия прыгуна в момент отрыва обусловлена исключительно движением прыжка, прыжки в движении обладают большей энергией, которая возникает за счет включения горизонтальной скорости, предшествующей прыжку. Следовательно, прыгуны способны прыгать на большие расстояния, начиная с разбега.
Анатомия
Животные используют широкий спектр анатомических адаптаций для прыжков. Эти адаптации связаны исключительно с фазой отталкивания, поскольку любые методы увеличения дальности или контроля прыжка после отталкивания требуют использования аэродинамических сил и, следовательно, классифицируются как планирование или парашютирование. Водные виды редко проявляют какие-либо особые приспособления для прыжков. Те, кто хорошо прыгает, обычно в первую очередь адаптированы к скорости и выполняют прыжки в движении, просто быстро всплывая на поверхность. Несколько видов, преимущественно обитающих в воде, способных прыгать на суше, таких как скакуны-прыгуны, делают это с помощью резкого взмаха хвоста.
Морфология конечностей
У наземных животных основной движущей структурой являются ноги, хотя некоторые виды используют хвост. Типичные характеристики прыгающих видов включают длинные ноги, развитые мышцы ног и дополнительные элементы конечностей. Длинные ноги увеличивают время и расстояние, в течение которых прыгающее животное может отталкиваться от субстрата, тем самым позволяя развивать большую мощность и совершать более быстрые и дальние прыжки. Развитые мышцы ног способны генерировать большую силу, что приводит к повышению эффективности прыжков. Помимо удлиненных элементов ног, у многих прыгающих животных модифицированы кости стопы и голеностопа, которые удлинены и имеют дополнительные суставы, эффективно увеличивая количество сегментов конечности и ее общую длину. Лягушки – отличный пример всех трех тенденций: длина их ног может достигать почти двух длин тела, мышцы ног могут составлять до двадцати процентов массы тела, и они не только удлинили стопу, голень и бедро, но и удлинили кости голеностопа, образовав дополнительный сустав конечности, а также удлинили тазовые кости и приобрели подвижность в крестцовой области, создав второй «дополнительный сустав». В результате лягушки являются бесспорными чемпионами по прыжкам среди позвоночных, способными преодолевать расстояние, превышающее пятьдесят длин тела, то есть более восьми футов.
Усиление мощности за счет накопленной энергии
Саранча использует накопление упругой энергии для увеличения дальности прыжка. Хотя мощность является основным определяющим фактором дальности прыжка (как отмечалось выше), физиологические ограничения ограничивают мощность мышц примерно до 375 Вт на килограмм мышечной массы. Чтобы преодолеть это ограничение, саранча фиксирует свои ноги с помощью внутреннего "защелкивающего механизма", в то время как мышцы растягивают упругую аподему (аналогичную сухожилию позвоночных). Когда защелка освобождается, аподема быстро высвобождает накопленную энергию. Поскольку аподема высвобождает энергию быстрее, чем мышцы, ее мощность превышает мощность мышц, которые эту энергию создали. Это аналогично тому, как человек бросает стрелу рукой по сравнению с использованием лука; использование упругого накопления энергии (лука) позволяет мышцам работать ближе к изометрической точке на кривой зависимости силы от скорости. Это позволяет мышцам совершать работу в течение более длительного времени и, следовательно, производить больше энергии, чем они могли бы в противном случае, в то время как упругий элемент высвобождает эту энергию быстрее, чем это способны сделать мышцы. Накопление упругой энергии обнаружено также у прыгающих млекопитающих и лягушек, с сопоставимым увеличением мощности от двух до семи раз по сравнению с эквивалентной мышечной массой.
Механики прыжков в длину
Оптимальный угол взлета для стоячего прыжка в длину (выполняемого человеком) был теоретически рассчитан как ~22.6°, что существенно ниже оптимального угла взлета для снаряда (т.е. 45°). Это обусловлено тем, что скорость взлета уменьшается с увеличением угла взлета из-за конфигурации тела прыгуна. Опытные спортсмены также более интенсивно размахивают руками и отводят корпус назад перед отталкиванием. Эти факторы позволяют спортсменам, занимающимся паркуром, совершать более длинные стоячие прыжки, чем начинающим. Расстояния в стоячем прыжке в длину варьируются 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.
Устройства и методы повышения высоты
Высоту прыжка можно увеличить, используя батут или преобразуя горизонтальную скорость в вертикальную с помощью устройства, такого как хафпайп. Для повышения вертикальной высоты прыжка спортсмена можно использовать различные упражнения. Одна из категорий таких упражнений – плиометрика – использует повторение отдельных движений, связанных с прыжками, для увеличения скорости, ловкости и силы. Исследования показали, что более физически активные дети демонстрируют более развитые навыки прыжков (наряду с другими базовыми двигательными навыками). Также отмечается, что развитие прыжковых способностей у детей напрямую связано с возрастом. По мере взросления детей наблюдается увеличение их прыжковых возможностей во всех формах. Развитие прыжков легче отследить у детей, чем у взрослых, поскольку в более раннем возрасте физические различия между ними менее выражены. Взрослые одного возраста могут значительно различаться по физической форме и атлетизму, что затрудняет оценку влияния возраста на прыжковые способности. В 2021 году исследователи внедрили храповой механизм в конструкцию робота и создали робота, способного прыгать вертикально на высоту более тридцати метров.