Праця, енергія та сила у фізиці людей

Наприкінці цього розділу ви зможете:

  • Поясніть споживання енергії людським організмом у стані спокою порівняно із заняттями, які виконують корисну роботу.
  • Обчисліть перетворення хімічної енергії в їжі на корисну роботу.

Перетворення енергії у людей

фізиці

Рисунок 1. Енергія, яку споживає людина, перетворюється на роботу, теплову енергію та накопичений жир. На сьогоднішній день найбільша частка йде на теплову енергію, хоча частка змінюється залежно від виду фізичної активності.

Наші власні тіла, як і всі живі організми, є машинами для перетворення енергії. Збереження енергії передбачає, що хімічна енергія, що зберігається в їжі, перетворюється на робочу, теплову та/або зберігається як хімічна енергія в жировій тканині. (Див. Малюнок 1.) Частка, яка потрапляє в кожну форму, залежить як від того, скільки ми їмо, так і від рівня фізичної активності. Якщо ми їмо більше, ніж потрібно для роботи і залишаємось у теплі, решта надходить у жир.

Споживання енергії у стані спокою

Швидкість, з якою організм використовує харчову енергію для підтримки життя та виконання різних видів діяльності, називається швидкістю обміну речовин. Загальний коефіцієнт перетворення енергії людини, що перебуває в стані спокою, називається базальною швидкістю обміну речовин (BMR) і розподілений між різними системами організму, як показано в таблиці 1. Найбільша частка надходить у печінку та селезінку, а мозок йде далі . Звичайно, під час енергійних вправ енергоспоживання скелетних м’язів та серця помітно зростає. Близько 75% калорій, спалених за день, витрачається на ці основні функції. BMR - це функція віку, статі, загальної маси тіла та кількості м’язової маси (яка спалює більше калорій, ніж жир). У спортсменів більший показник BMR завдяки цьому останньому фактору.

Таблиця 1. Базальні показники метаболізму (BMR) Потужність органу, споживаного у спокої (Вт) Споживання кисню (мл/хв) Відсоток BMR
Печінка та селезінка 23 67 27
Мозок 16 47 19
Скелетні м’язи 15 45 18
Нирки 9 26 10
Серце 6 17 7
Інший 16 48 19
Підсумки 85 Вт 250 мл/хв 100%

Споживання енергії прямо пропорційне споживанню кисню, оскільки процес травлення в основному є одним із способів окислення їжі. Ми можемо виміряти енергію, яку люди використовують під час різних видів діяльності, вимірюючи їх споживання кисню. (Див. Малюнок 2.) Приблизно 20 кДж енергії виробляється на кожен літр споживаного кисню, незалежно від типу їжі. У таблиці 2 наведені норми споживання енергії та кисню (витрачена потужність) для різних видів діяльності.

Сила робити корисну роботу

Роботу, яку виконує людина, іноді називають корисною, тобто роботою, яка виконується у зовнішньому світі, наприклад, підняття тягарів. Для корисної роботи потрібна сила, що діється на зовнішній світ через відстань, і тому вона виключає внутрішню роботу, таку, яку виконує серце при перекачуванні крові. Корисна робота включає роботу, що виконується підйомом по сходах або розгоном до повного ходу, оскільки це досягається зусиллям на зовнішній світ. Сили, що діють на організм, є неконсервативними, тому вони можуть змінювати механічну енергію (KE + PE) системи, над якою працює, і це часто є метою. Наприклад, бейсболіст, кидаючи м'яч, збільшує як кінетичну, так і потенційну енергію м'яча.

Якщо людині потрібно більше енергії, ніж вона споживає, наприклад, під час енергійної роботи, організм повинен використовувати хімічну енергію, що зберігається в жирі. Тож вправи можуть бути корисними при втраті жиру. Однак кількість фізичних вправ, необхідних для втрати жиру або для спалення зайвих калорій, спожитих того дня, може бути великою, як це показує Приклад 1.

Приклад 1. Обчислення втрати ваги за допомогою фізичних вправ

Якщо людина, яка зазвичай потребує в середньому 12000 кДж (3000 ккал) харчової енергії на день, споживає 13000 кДж на день, вона буде стабільно набирати вагу. Скільки їздити на велосипеді на день, щоб відпрацювати ці додаткові 1000 кДж?

Рішення

У таблиці 2 зазначено, що 400 Вт використовуються при їзді на велосипеді з помірною швидкістю. Тоді час, необхідний для відпрацювання 1000 кДж при цій швидкості

Обговорення

Якщо ця людина використовує більше енергії, ніж вона споживає, організм людини отримає необхідну енергію, метаболізуючи жирові відкладення. Якщо людина використовує 13000 кДж, але споживає лише 12000 кДж, тоді величина втрати жиру буде

припускаючи, що енергетичний вміст жиру становить 39 кДж/г.

Рисунок 2. Пульсовий оксиметр - це прилад, що вимірює кількість кисню в крові. Оксиметри можна використовувати для визначення швидкості метаболізму людини, тобто швидкості, з якою харчова енергія перетворюється в іншу форму. Такі вимірювання можуть свідчити про рівень спортивної підготовки, а також про певні медичні проблеми. (кредит: UusiAjaja, Wikimedia Commons)

Таблиця 2. Норми споживання енергії та кисню [1] (Потужність) Діяльність Споживання енергії у ватах Споживання кисню в літрах O2/хв
Сплячий 83 0,24
Сидячи в спокої 120 0,34
Стоїть розслаблено 125 0,36
Сидячи в класі 210 0,60
Піші прогулянки (5 км/год) 280 0,80
Велоспорт (13–18 км/год) 400 1.14
Тремтіння 425 1.21
Гра в теніс 440 1.26
Плавання брасом 475 1.36
Катання на ковзанах (14,5 км/год) 545 1,56
Підйом по сходах (116/хв) 685 1,96
Велоспорт (21 км/год) 700 2,00
Біг по пересіченій місцевості 740 2.12
Грати в баскетбол 800 2.28
Велоспорт, професійний гонщик 1855 рік 5.30
Спринт 2415 6,90

Малюнок 3. Це сканування fMRI показує підвищений рівень споживання енергії в зоровому центрі мозку. Тут пацієнта просили розпізнати обличчя. (кредит: NIH через Wikimedia Commons)

Усі функції організму, від мислення до підняття тягарів, вимагають енергії. (Див. Малюнок 3.) Багато дрібних м’язових дій, що супроводжують будь-яку тиху діяльність, від сну до подряпин голови, зрештою стають тепловою енергією, як і менш помітні м’язові дії серця, легенів та травного тракту.

Тремтіння, насправді, - це мимовільна реакція на низьку температуру тіла, яка спрямовує м’язи один на одного, виробляючи в організмі теплову енергію (і не роблячи ніякої роботи). Нирки та печінка споживають дивовижну кількість енергії, але найбільшим здивуванням цього є те, що цілі 25% всієї енергії, споживаної організмом, використовується для підтримки електричного потенціалу у всіх живих клітинах. (Нервові клітини використовують цей електричний потенціал у нервових імпульсах.) Ця біоелектрична енергія в кінцевому рахунку стає переважно тепловою енергією, але частина використовується для живлення хімічних процесів, таких як нирки та печінка, а також для виробництва жиру.

Підсумок розділу

  • Людський організм перетворює енергію, що зберігається в їжі, на робочу, теплову та/або хімічну енергію, що зберігається в жировій тканині.
  • Швидкість, з якою організм використовує харчову енергію для підтримки життя та виконання різних видів діяльності, називається швидкістю обміну речовин, а відповідна швидкість у стані спокою - базовою швидкістю обміну речовин (BMR)
  • Енергія, що включається в основний рівень обміну речовин, розподіляється між різними системами в організмі, причому найбільша частка надходить у печінку та селезінку, а мозок йде далі.
  • Близько 75% калорій їжі використовується для підтримки основних функцій організму, що входять до базового обміну речовин.
  • Споживання енергії людьми під час різних видів діяльності можна визначити, вимірявши споживання ними кисню, оскільки процес травлення в основному є одним із окислювачів їжі.

Концептуальні запитання

  1. Поясніть, чому легше піднятися на гору зигзагоподібною стежкою, а не прямо на бік. Чи є ваше збільшення гравітаційної потенційної енергії однаковим в обох випадках? Чи однакове споживання енергії в обох?
  2. Чи працюєте ви над зовнішнім світом, коли потираєте руки, щоб зігріти їх? Яка ефективність цієї діяльності?
  3. Тремтіння - це мимовільна реакція на знижену температуру тіла. Яка ефективність організму при тремтінні, і чи є це бажаним значенням?
  4. Обговоріть відносну ефективність дієти та фізичних вправ для схуднення, зазначивши, що більшість занять спортом споживають харчову енергію зі швидкістю від 400 до 500 Вт, тоді як одна чашка йогурту може містити 1360 кДж (325 ккал). Зокрема, чи ймовірно, що одних лише фізичних вправ буде достатньо для схуднення? Можливо, ви захочете врахувати, що регулярні фізичні вправи можуть збільшити швидкість метаболізму, тоді як тривалі дієти можуть його зменшити.

Проблеми та вправи

  1. (а) Як довго ви можете швидко підніматися сходами (116/хв) із 93,0 ккал енергії в 10,0-г масляному маслі? (b) Скільки це рейсів, якщо кожен рейс має 16 сходів?
  2. (а) Яка вихідна потужність у ватах та кінських силах спринтера 70,0-кг, який розганяється від відпочинку до 10,0 м/с за 3,00 с? (b) Беручи до уваги обсяг генерованої енергії, чи вважаєте ви, що добре підготовлений спортсмен міг робити це повторювано протягом тривалих періодів часу?
  3. Обчисліть вихідну потужність у ватах та кінських силах штовхача ядра, якому потрібно 1,20 с, щоб розігнати 7,27-кілограмовий постріл з відпочинку до 14,0 м/с, одночасно піднявши його на 0,800 м. (Не включайте потужність, що виробляється для прискорення його тіла.)

Рисунок 4. Штурхач ядра на Дорнохському нагірному зборі в 2007 році. (Кредит: Джон Хаслам, Flickr)

Малюнок 5. Дедал 88 у польоті. (кредит: фото NASA Бізлі)

Рисунок 7. Стародавні піраміди, ймовірно, будувались за допомогою пандусів як простих машин. (кредит: Франк Монньє, Wikimedia Commons)

Глосарій

швидкість метаболізму: швидкість, з якою організм використовує харчову енергію для підтримки життя та здійснення різних видів діяльності

базальна швидкість метаболізму: загальний коефіцієнт перетворення енергії людини в стані спокою

корисна робота: робота, виконана на зовнішній системі

Вибрані рішення проблем та вправ

1. (а) 9,5 хв; (b) 69 сходових маршів

3. 641 Вт, 0,860 к. С

9. (а) 3,21 × 10 4 Н; (b) 2,35 × 10 3 N; (c) Співвідношення чистої сили до ваги людини становить 41,0 в частині (а); 3,00 в частині (b)

11. (а) 108 кДж; (b) 599 Вт

13. (а) 144 Дж; (b) 288 Вт

15. (а) 2,50 × 10 12 Дж; (b) 2,52%; (c) 1,4 × 10 4 кг (14 метричних тонн)