Keiser – kilogram nie zawsze jest równy kilogramowi

Kilogram nie zawsze jest równy kilogramowi – brzmi przewrotnie, ale zaraz postaramy się wszystko wytłumaczyć.

W tym celu wykonamy pewne doświadczenie:

1. Stajemy nieruchomo na wadze trzymając w dłoniach, na wysokości barków, talerz od sztangi. Waga wskazuje pewną wartość w kilogramach (to sumaryczna masa naszego ciała oraz talerza). Tu należy się wyjaśnienie: masa danego ciała jest miarą ilości materii w nim zawartej i jest wielkością stałą. Nie zależy ona od tego, czy ciało to znajduje się na Ziemi, Księżycu czy też krąży w stanie nieważkości na orbicie okołoziemskiej. Masa 20 kg w każdych warunkach jest masą 20 kg. Co do wagi jako urządzenia to w uproszczeniu można powiedzieć, że mierzy ona siłę nacisku ważonego przedmiotu wywieraną na szalkę. Natomiast nie mierzy ona jego masy! Waga wskazuje tylko wartość masy odpowiadającą temu naciskowi (zwaną potocznie także wagą).
   
2. Podnosimy talerz z pozycji wyjściowej wysoko ponad głowę. Ruch ten wykonujemy w sposób szybki i dynamiczny (z dużym przyśpieszeniem). W jego trakcie, na wskaźniku możemy zauważyć nagły, chwilowy wzrost wagi. Dlaczego tak się dzieje? Wynika to z drugiej zasady dynamiki Newtona. Aby uzyskać zakładaną prędkość ruchu talerza o masie m musimy przemieszczać go z odpowiednim przyśpieszeniem a. Ale przyśpieszenie pojawi się tylko wtedy, gdy na talerz zadziała odpowiednia siła F. I to jest właśnie ta siła której użyliśmy do jego uniesienia. Dodatkowo, jeśli nasze dłonie oddziałują na talerz z siłą F skierowaną do góry, to talerz także oddziaływuje na nasze dłonie siłą o tej samej wartości i tym samym kierunku, ale przeciwnym zwrocie (trzecia zasada dynamiki Newtona – „akcji i reakcji”). I to właśnie również tę siłę reakcji talerza (w postaci dodatkowej siły nacisku) rejestruje szalka naszej wagi. Wzór na przyśpieszenia a z jakim porusza się talerz o masie m: a= F/m Wynika z niego, że:

– im większą siłą działamy na talerz, tym większe uzyska on przyśpieszenie, a zatem i prędkość. Jest to zależność wprost proporcjonalna – 2x większa siła to 2x większe przyśpieszenie;
– im większa masa talerza (i co za tym idzie większa jego bezwładność), tym mniejsze przyśpieszenie uzyskuje on na skutek działania danej siły. Jest to zależność odwrotnie proporcjonalna – 2x większa masa to 2x mniejsze przyśpieszenie.

3. Tym razem podnosimy talerz do góry nad głowę, ale ruchem niezbyt szybkim i jednostajnym (bez przyśpieszania). Podczas wykonywania tej czynności, jedynie na jej początku, obserwujemy bardzo niewielki, chwilowy wzrost wagi. Trzeba tutaj zaznaczyć, że jest to w zasadzie ta sama sytuacja jak w opisie powyżej. Jednak, ponieważ ruch talerza na prawie całej drodze jest powolny i jednostajny (tylko na początku ruchu musiało wystąpić niewielkie jego przyśpieszenie), przyłożona do niego siła jest znacznie mniejsza.

4. Jeśli talerz trzymany nad głową będziemy szybkim ruchem opuszczać do barków, to zaobserwujemy sytuację odwrotną do opisanej w pkt. 2. Zauważymy chwilowy spadek wagi. Na każdym etapie naszego doświadczenia wykorzystywaliśmy ten sam talerz o identycznej masie trzymany przez tą samą osobę o również takiej samej masie. Mimo tego zrejestrowaliśmy rożne oddziaływania na podłoże (szalkę wagi). Oznacza to że 1 kg masy pozostającej w spoczynku i 1 kg tej samej masy poddany przyśpieszeniu bądź opóźnieniu, ze względu na ich różne oddziaływanie fizyczne, to nie jest to samo.

Podczas treningu z wykorzystaniem oporu grawitacyjnego (wolne ciężary, maszyny stosowe, maszyny półwolne), gdzie występują duże przyśpieszenia masy, powstają także duże siły reakcji oddziałujące na nasze ciało. Siły te mają charakter udarowy i w pewnych sytuacjach mogą być dla nas szkodliwe, a także wręcz niebezpieczne. Dlatego, w tym przypadku nie zaleca się wykonywania dynamicznych ruchów zwłaszcza z większymi obciążeniami. Kwestia występowania wyżej opisanych udarowych sił reakcji to jest jeden problem, który napotykamy.

Jest jeszcze problem znacznie poważniejszy, związany z samym istnieniem masy. Pojęcie masy jest także związane z bezwładnością, czyli zdolnością ciała do przeciwstawiania się zmianom w ich ruchu.

Im większa jest masa danego ciała, tym trudniej jest wprawić je w ruch, w odpowiednim momencie przyśpieszyć, wyhamować lub zatrzymać. I tutaj spotykamy się ze zjawiskiem inercji obciążenia.

Inercja ta może praktycznie uniemożliwiać nam dynamiczne wykonywanie ćwiczeń z dużą prędkością i zawierających powyżej wymienione elementy ruchu.

Jako ilustrację problemów, które możemy napotkać, można podać przykład treningu z wykorzystaniem klasycznej maszyny wyciągowej. Jeśli wykonujemy niezbyt szybkie i do tego jednostajne ruchy, to nic złego się nie dzieje. Odczuwalny opór stosu jest w miarę stały, a jeśli się zmienia to w sposób bardzo płynny (pkt. 3 doświadczenia). Problemy pojawiają się przy każdej próbie nagłego przyśpieszenia wykonywanego ruchu. Stos „podskoczy” najpierw do góry, aby następnie bezwładnie spaść z impetem w dół. Takie jego zachowanie powoduje, że w końcowej fazie ruchu najpierw odczujemy zmniejszony opór na lince (albo nawet jego brak), a potem jego zwielokrotnienie.

W tej sytuacji, przy nieustannie, skokowo zmieniającej się sile oporu, trening szybkości jest praktycznie niemożliwy, a ryzyko poważnej kontuzji bardzo prawdopodobne.

Finalnie staje się on po prostu niebezpieczny i nieefektywny. Podobnie może być także w przypadku stosowania wolnych ciężarów. Aby wytłumaczyć zjawisko inercji obciążenia możemy odnieść się do pojęcia pędu p określanego wzorem: p = mV (gdzie m – masa ciała V – jego prędkość). Im ciało posiada większy pęd, tym trudniej jest je zatrzymać. My zakończyliśmy nasz ruch, który przyspieszył stos. Ale skoro przyśpieszył to znaczy, że nadał jemu pewną prędkość. Ponieważ pęd jest w tym momencie niezerowy, stos porusza się dalej do góry ruchem opóźniony do momentu aż prędkość V nie będzie równa 0.

Podsumowując

Możemy powiedzieć, że opór grawitacyjny (wolne ciężary, maszyny stosowe, maszyny półwolne) idealnie sprawdza się w treningu siły oraz kształtowania sylwetki. Natomiast wykorzystanie go do treningu prędkości czy mocy zdecydowanie nie jest dobrym rozwiązaniem.

Jak sobie poradzić z opisanymi problemami? Odpowiedź wkrótce.