Munka, energia és erő az emberek fizikájában

A szakasz végére:

Magyarázza el az emberi test energiafogyasztását nyugalmi állapotban vs. hasznos tevékenységet végző tevékenységek során.
Számítsa ki az élelmiszerek kémiai energiájának hasznos munkává történő átalakulását.

Energiaátalakítás az embereknél

1. ábra Az emberek által felhasznált energia munkává, hőenergiává és raktározott zsírsá alakul. Messze a legnagyobb frakció a hőenergiához jut, bár a frakció a fizikai aktivitás típusától függően változik.

Saját testünk, mint minden élő szervezet, energiaátalakító gép. Az energia megőrzése azt jelenti, hogy az élelmiszerekben tárolt kémiai energia munkává, hőenergiává és/vagy kémiai energiává alakul a zsírszövetben. (Lásd az 1. ábrát.) Az egyes formákba kerülő frakció attól függ, hogy mennyit eszünk, és a fizikai aktivitás szintjétől is. Ha többet eszünk, mint amennyi a munkavégzéshez és a melegedéshez szükséges, a maradék testzsírba kerül.

Nyugalmi állapotban fogyasztott energia

Azt a sebességet, amellyel a test élelmiszer-energiát használ fel az élet fenntartására és a különböző tevékenységek elvégzésére, metabolikus sebességnek nevezzük. A nyugalmi állapotban lévő ember teljes energiaátalakítási arányát bazális anyagcsere-sebességnek (BMR) nevezzük, és a test különböző rendszerei között oszlik meg, az 1. táblázat szerint. A legnagyobb hányad a májba és a lépbe kerül, az agy következik . Természetesen az erőteljes testmozgás során a vázizmok és a szív energiafogyasztása jelentősen megnő. A nap során elégetett kalóriák körülbelül 75% -a megy ezekbe az alapvető funkciókba. A BMR az életkor, a nem, a teljes testtömeg és az izomtömeg függvénye (amely több kalóriát éget el, mint a testzsír). A sportolók magasabb BMR-rel rendelkeznek ez utóbbi tényező miatt.

1. táblázat: Alapanyagcsere arányok (BMR) Szerv nyugalmi állapotban fogyasztott teljesítmény (W) Oxigénfogyasztás (ml/perc) A BMR százaléka

Máj és lép	23.	67	27.
Agy	16.	47	19.
Vázizom	15	45	18.
Vese	9.	26.	10.
Szív	6.	17.	7
Egyéb	16.	48	19.
Összesen	85 W	250 ml/perc	100%

Az energiafogyasztás egyenesen arányos az oxigénfogyasztással, mert az emésztési folyamat alapvetően az élelmiszerek oxidációja. Meg tudjuk mérni az emberek által a különböző tevékenységek során felhasznált energiát oxigénfelhasználásuk mérésével. (Lásd a 2. ábrát.) Az elfogyasztott oxigén literenként hozzávetőlegesen 20 kJ energiát termelnek, függetlenül az étel típusától. A 2. táblázat a különböző tevékenységek energia- és oxigénfogyasztási arányait (elfogyasztott energia) mutatja.

Hasznos munka teljesítménye

Az ember által végzett munkát néha hasznos munkának nevezik, ami a külvilágon végzett munka, például a súlyemelés. A hasznos munkához olyan erőre van szükség, amelyet a külvilágon távolságon keresztül kell kifejteni, és ezért kizárja a belső munkát, például a szív által a vér pumpálásakor végzett munkát. Hasznos munkát végez a lépcsőmászás vagy a teljes futás gyorsítása, mert ezeket úgy hajtják végre, hogy erőket fejtenek ki a külvilágra. A test által kifejtett erők nem konzervatívak, így megváltoztathatják a megmunkált rendszer mechanikai energiáját (KE + PE), és ez gyakran a cél. A labdát dobó baseball játékos például megnöveli a labda mozgási és potenciális energiáját.

Ha egy személynek több energiára van szüksége, mint amennyit elfogyaszt, például erőteljes munka során, a testnek a zsírban tárolt kémiai energiára kell támaszkodnia. Tehát a testmozgás hasznos lehet a zsírvesztésben. Azonban az 1. példa szemlélteti, hogy a testmozgás mennyisége szükséges a zsírvesztéshez, vagy az aznap elfogyasztott extra kalóriák elégetéséhez.

1. példa A fogyás kiszámítása az edzésből

Ha az a személy, aki általában napi átlagosan 12 000 kJ (3000 kcal) élelmiszer-energiát igényel, napi 13 000 kJ-t fogyaszt, akkor folyamatosan hízik. Mennyi kerékpározás szükséges naponta ennek az extra 1000 kJ-nek a ledolgozásához?

Megoldás

A 2. táblázat szerint 400 W-ot használnak mérsékelt sebességű kerékpározáshoz. Ekkor az az idő kell, hogy 1000 kJ-t ledolgozzon

Vita

Ha ez a személy több energiát használ fel, mint amennyit elfogyaszt, az illető teste a testzsír metabolizálásával szerzi meg a szükséges energiát. Ha az illető 13 000 kJ-t használ, de csak 12 000 kJ-t fogyaszt, akkor a zsírveszteség mértéke meg fog nőni

feltételezve, hogy a zsír energiatartalma 39 kJ/g.

2. ábra. A pulzus oximéter olyan készülék, amely a vér oxigén mennyiségét méri. Az oximéterekkel meghatározható az ember anyagcseréje, vagyis az a sebesség, amellyel az élelmiszer energia más formává alakul. Az ilyen mérések megmutathatják az atlétikai állapot szintjét, valamint bizonyos orvosi problémákat. (jóváírás: ÚjAjaja, Wikimedia Commons)

2. táblázat: Energia- és oxigénfogyasztási arányok [1] (Teljesítmény) Tevékenység Energiafogyasztás wattban Oxigénfogyasztás literben O2/perc

Alvás	83.	0,24
Nyugalomban ül	120	0,34
Nyugodtan állva	125	0,36
Osztályban ülve	210	0,60
Gyaloglás (5 km/h)	280	0,80
Kerékpározás (13-18 km/h)	400	1.14
Borzongás	425	1.21
Teniszezni	440	1.26
Úszás mell	475	1.36
Korcsolyázás (14,5 km/h)	545	1.56
Mászás a lépcsőn (116/perc)	685	1.96
Kerékpározás (21 km/h)	700	2.00
Futás terepfutáson	740	2.12
Kosárlabdázni	800	2.28
Kerékpározás, profi versenyző	1855	5.30
Sprintelés	2415	6.90

3. ábra: Ez az fMRI vizsgálat az agy látásközpontjában megnövekedett energiafogyasztást mutat. Itt arra kérték a beteget, hogy ismerje fel az arcokat. (jóváírás: NIH a Wikimedia Commonson keresztül)

Minden testi funkció, a gondolkodástól a súlyemelésig, energiát igényel. (Lásd a 3. ábrát.) Az összes csendes tevékenységet kísérő sok apró izomhatás, az alvástól a fej vakarásáig, végül hőenergiává válik, mint a szív, a tüdő és az emésztőrendszer kevésbé látható izomhatásai.

A borzongás valójában egy akaratlan válasz az alacsony testhőmérsékletre, amely az izmokat egymással szembe állítja, hogy hőenergiát termeljen a testben (és nem végez munkát). A vese és a máj meglepően sok energiát fogyaszt, de mindezek legnagyobb meglepetése, hogy a test által felhasznált összes energia teljes 25% -át az összes élő sejt elektromos potenciáljának fenntartására fordítják. (Az idegsejtek ezt az elektromos potenciált használják idegimpulzusokban.) Ez a bioelektromos energia végül többnyire hőenergiává válik, de egyeseket kémiai folyamatok, például a vesék és a máj, valamint a zsírtermelés során használják fel.

Szakasz összefoglaló

Az emberi test átalakítja az élelmiszerekben tárolt energiát munkává, hőenergiává és/vagy kémiai energiává, amelyet a zsírszövet tárol.
Azt a sebességet, amellyel a test élelmiszer-energiát használ az élet fenntartásához és a különböző tevékenységek elvégzéséhez, metabolikus sebességnek, a nyugalmi állapotban lévő megfelelő sebességet pedig bazális anyagcserének (BMR) nevezzük.
Az alapanyagcsere aránya a szervezet különböző rendszerei között oszlik meg, a legnagyobb hányad a májba és a lépbe kerül, és az agy következik.
Az étkezési kalóriák körülbelül 75% -át a test alapvető funkcióinak fenntartására fordítják, amelyek az alapanyagcsere arányába tartoznak.
Az emberek energiafogyasztása a különböző tevékenységek során meghatározható oxigénfelhasználásuk mérésével, mivel az emésztési folyamat alapvetően az élelmiszer oxidációja.

Fogalmi kérdések

Magyarázza el, miért könnyebb egy hegyet megmászni egy cikk-cakk ösvényen, nem pedig egyenesen az oldalán. A gravitációs potenciál energiájának növekedése mindkét esetben azonos? Energiafogyasztása megegyezik-e mindkettőben?
Dolgozik a külvilágon, amikor a kezét összedörzsöli, hogy megmelegítse? Mi ennek a tevékenységnek a hatékonysága?
A borzongás akaratlan válasz az alacsonyabb testhőmérsékletre. Mi a test hatékonysága didergéskor, és ez kívánatos érték-e?
Beszélje meg a fogyókúra és a testmozgás relatív hatékonyságát a fogyásban, és vegye figyelembe, hogy a legtöbb atlétikai tevékenység 400–500 W sebességgel fogyasztja az élelmiszerenergiát, míg egyetlen csésze joghurt 1360 kJ (325 kcal) mennyiséget tartalmazhat. Konkrétan valószínű, hogy a testmozgás önmagában is elegendő lesz a fogyáshoz? Fontolja meg, hogy a rendszeres testmozgás növelheti az anyagcserét, míg az elhúzódó fogyókúra csökkentheti.

Problémák és gyakorlatok

(a) Meddig lehet gyorsan felmászni a lépcsőn (116/perc) a 93,0 kcal energián 10,0 g vajban? (b) Hány járat ez, ha minden járatnak 16 lépcsője van?
a) Mekkora a leadott teljesítmény wattban és lóerőben egy 70,0 kg-os sprinter esetében, aki nyugalmi állapotból 10,0 m/s-ra gyorsul 3,00 s alatt? (b) Figyelembe véve a megtermelt energia mennyiségét, gondolja, hogy egy jól képzett sportoló ezt hosszú ideig megismételheti?
Számítsa ki annak a lövöldözőnek a teljesítményét wattban és lóerőben, akinek 1,20 másodpercre van szüksége, hogy a 7,27 kg-os lövést nyugalmi helyzetből 14,0 m/s-ra gyorsítsa, miközben 0,800 m-t emel. (Ne vegye bele a testének felgyorsítására létrehozott erőt.)

4. ábra Lövészdobó a 2007. évi Dornoch Highland Gatheringen (hitel: John Haslam, Flickr)

5. ábra: A Daedalus 88 repülés közben. (hitel: a NASA fotója, Beasley)

7. ábra Az ősi piramisokat valószínűleg rámpák felhasználásával, egyszerű gépként készítették el. (jóváírás: Franck Monnier, Wikimedia Commons)

Szójegyzék

anyagcsere sebesség: az a sebesség, amellyel a test élelmiszer-energiát használ fel az élet fenntartására és különböző tevékenységek végzésére

alapanyagcsere sebesség: a nyugalmi állapotban lévő személy teljes energiaátalakítási aránya

hasznos munka: külső rendszeren végzett munka

Válogatott megoldások a problémákra és gyakorlatokra

1. a) 9,5 perc; b) 69 lépcsősor

3. 641 W, 0,860 LE

9. a) 3,21 × 104 N; (b) 2,35x103 N; (c) A nettó erő és a személy tömegének aránya az a) részben 41,0; 3,00 a b) részben

11. a) 108 kJ; b) 599 W

13. a) 144 J; b) 288 W

15. a) 2,50 × 10 12 J; (b) 2,52%; c) 1,4 × 104 kg (14 tonna)