Енергія на 100 м спринту

Автор: Ед Вітц, Джон В. Мур, Джастін Шорб, Ксав'є Прат-Ресіна, Тім Вендорф та Адам Ган
ChemPRIME у Цифровій бібліотеці з хімічної освіти (ChemEd DL)

Зазвичай енергія визначається як здатність виконувати роботу. Наприклад, коли Усіан Болт встановив світовий рекорд 9,58 с у спринті на 100 м (Берлін, 2009), він використовував енергію, щоб розігнати масу тіла до 86 кг (190 фунтів) до своєї максимальної швидкості близько 12 м/с ( близько 27 миль/год) приблизно на позначці 65 м. Це про найшвидшу швидкість бігу, яку досягли Болт, Моріс Грін та Донован Бейлі (1996). Рекордний час марафону становить близько 2 годин, 5 хвилин (близько 12,77 миль/год), а миль - близько 4 хвилин (15 миль/год).

Задіяні енергії дивують, коли ми детально розглянемо їх нижче.

Кінетична енергія

Кінетична енергія - це енергія, зумовлена рухом, і представлена Ек. Для птаха, що рухається по прямій, кінетична енергія дорівнює половині добутку маси і квадрата швидкості:

\ (m \) - маса предмета в кг
\ (u \) - швидкість об'єкта в м/с

Приклад \ (\ PageIndex \): Кінетична енергія Юсейн Болта

Обчисліть кінетичну енергію Юсейна Болта при його максимальній швидкості 12 миль на годину -1, якщо він важить 86 кг.

\ (\ великий E_ = \ frac m u ^ = \ frac \ раз 86 \ text < kg>\ раз (12 \ текст < m>\ текст< s>^) ^ = 6192 \ текст< kg>\ текст< m>^ \ текст< s>^ \)

Збір одиниць кг м 2 с –2 отримав назву Джоуль в системі SI після Джеймса Джоуля (див. нижче). Іншими словами, одиниці вимірювання енергії отримують з базових одиниць СІ: кілограм маси, метр довжини та секунди часу. Кількість тепла або будь-якої іншої форми енергії може бути виражена в квадратних кілограмах метра за секунду у квадраті.

Калорії

У повсякденному житті ми часто вимірюємо енергію в калоріях і співвідносимо їх із енергією їжі. Раніше калорію визначали як енергію, необхідну для підвищення температури одного грама води з 14,5 ° С до 15,5 ° С, але зараз вона визначається як рівно 4,184 Дж. Величина "С" у харчовій калорії вказує, що це справді кілокалорій (1000 калорій = 1 калорія). Ми знаємо, що калорії їжі нагрівають наше тіло і дозволяють нам робити корисну роботу (і, можливо, набирати вагу), і ми побачимо, як вони вимірюються та споживаються, у наступних розділах.

Енергія в калоріях завдяки швидкості Болта дорівнює \ (\ text \ times \ frac >> \ times \ frac >> = \ text \)

Отже, 86-кілограмове тіло має дуже мало енергії на 27 миль/год. Чому це, здається, використовує стільки енергії, щоб бігти так швидко? Фізіологічний. і фізики. деталі широко вивчені. [1]

Фактична кількість енергії, витраченої Болтом на бігу на 100 км, становить близько 116 117 Дж (або близько 277 Ккал). [2]. Сюди входить незначна кількість для подолання опору вітру (можливо, до 0,020 Ккал для перегонів) [3], але в основному енергія, необхідна для переміщення ніг і рук вперед-назад, а також інші рухи і функції тіла. Нарешті, потенційна енергія бере участь.

Потенційна енергія

Потенційна енергія - це енергія, яка зберігається в тілі шляхом підняття у висоту (у випадку Болта, коли він робить крок), або іншими способами. Це часто походить від відокремлення речей, які приваблюють, таких як тіло болта і Землі, яка його приваблює, або розтягуванням магнітів, або витягуванням електростатично зарядженої кулі від протилежно зарядженого об'єкта, до якого він прилип.

Близько 0,048 кал/с (200 ват), ймовірно, було витрачено на рух вгору і вниз по тілу Болта.

Потенційна енергія - скорочено EP а гравітаційна потенціальна енергія розраховується наступним чином:

\ (m \) - маса предмета в кг
\ (g \) - гравітаційна стала, \ (9,8 \; m \, s ^ 2 \)
\ (h \) - висота в \ (m \)

Зверніть увагу, що ЕП має однакові одиниці виміру, кг м 2 с –2 або Джоуль як кінетична енергія.

Приклад \ (\ PageIndex \): Потенційна енергія Юсейн Болта

Скільки потенційної енергії зберігається в тілі Болта, якщо він піднімає свій центр маси на 2,0 см на кожному кроці?

\ (\ великий E_

= mgh = 86 \ text \ times 9.8 \ text \ text ^ \ times 0.020 \ text = 17 \ text ^ 2 \ text ^ \)

Це 0,0041 кал/крок, якщо перегони складають 100 кроків, то загалом 0,31 кал. Ця енергія може надходити за рахунок кінетичної енергії, вимагаючи від бігуна уповільнення, або вона може забезпечуватися метаболічними процесами.

Коли ми намагаємося зрозуміти енергетику раси з точки зору енергії тіла, наші міркування залежать від закон збереження енергії, який стверджує, що енергія не може бути створена або знищена у звичних умовах повсякденного життя. Всякий раз, коли здається, що десь відбувається збільшення енергії, як підняття центру маси тіла, відбувається десь інше відповідне зменшення, як кінетична енергія тіла або хімічна енергія з їжі. Існує безліч форм енергія.

Перші ретельні експерименти, щоб визначити, наскільки робота була еквівалентна даній кількості тепла, були проведені англійським фізиком Джеймсом Джоулем (1818 - 1889) у 1840-х роках. В експерименті Джоуль з'єднав падіння тягарів через шківну систему з лопатевим колесом, зануреним в ізольований контейнер з водою. Рухливі весла передавали енергію падаючої ваги в турбулентне тепло у воді. Це дозволило Джоулю порівняти зміну теплової енергії води з ЕР ваг і зрозуміти, як потенціал був пов'язаний з тепловою енергією.

Список літератури

Вагнер, Г. "100-метровий ривок: теорія та експеримент". Вчитель фізики, 36 (3), 1998, с. 144
О. Гелене, М. Т. Ямасіта, ам. J. Phys. 78, 307 (2010); http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0911/0911.1952v2.pdf
Margaria, R. Європейський журнал прикладної фізіології та професійної фізіології том 25, номер 4/грудень 1968 р., С. 352-360; www.springerlink.com/content/mr85778772370374/
О. Гелене, М. Т. Ямасіта, ам. J. Phys. 78, 307 (2010); http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0911/0911.1952v2.pdf

Співавтори та атрибуції

Ед Вітц (Університет Куцтауна), Джон В. Мур (UW-Медісон), Джастін Шорб (Коледж Хоуп), Ксав'є Прат-Ресіна (Університет Міннесоти, Рочестер), Тім Вендорф і Адам Хан.