Затраты энергии при выполнении спортивных упражнений
Добавлено: 29 июн 2018, 09:59
Коэффициент полезного действия человека
Коэффициент полезного действия, или КПД сокращенно – это отношение затраченных ресурсов к результату выполненной с их использованием работы. С понятием КПД знакомы все – по школьному курсу физики, где КПД определяется как отношение полезной энергии ко всей суммарно использованной.
Возьмем, к примеру, автомобильный двигатель внутреннего сгорания. Полезная работа – это физическая работа, совершенная по перемещению груза и людей по дороге, а вот затраченная – это тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании затраченного на движение автомобиля топлива. В реальных двигателях всегда присутствуют потери (на трение деталей, бесполезные потери тепла), и КПД по определению меньше 1 (или 100%).
Но чем ближе КПД к теоретическому пределу 1, тем двигатель совершеннее. Вся история создания и развития механизмов и машин – борьба за повышение их КПД. КПД паровозов был порядка 5-8%, современный тепловоз превращает в работу 40% энергии топлива.
Можно ли говорить о КПД человека? Можно, а том смысле, в каком его можно рассматривать как машину по превращению энергии топлива (пищи) в полезную механическую энергию (человек, в отличие от электрических скатов, на вырабатывает электрической энергии, невозможна и выработка им световой, электромагнитной энергии в практических масштабах.
Примеры выполнения человеком механической работы – перемещение себя самого по горизонтали и вертикали (ходьба, бег, подъем по лестнице), езда на велосипеде или коляске с ручным приводом, подъем ведра с водой из колодца. Может быть выработана и электрическая энергия, если вращать (руками или ногами), вал электрической машины (примеры последних изобретений подобного рода – устройства для зарядки мобильных телефонов, т.н. USB динамо-машины).
Работу человек производит путем сокращения мышц, в которых энергия аккумулирована в виде молекул аденозинтрифосфата (АТФ). Но запасенная в молекулах АТФ энергия переходит в механическую не вся, бóльшая часть энергии расходуется на производство теплоты.
Наиболее эффективны крупные мышцы ног (КПД 20-35%), мышцы рук менее эффективны – их КПД порядка 5-15%. Из этого вытекает бóльшая эффективность средств передвижения, приводимых в движение ногами, в сравнении с приводимыми в движении руками. На рисунках ниже фотографии железнодорожных дрезин с ножным (слева) и ручным (справа) приводом.
В физиологии пользуются понятиями суммарного и практического КПД мышц. При вычислении суммарного КПД учитывается вся выработанная энергия, при вычислении практического КПД – выработанная энергия за вычетом энергии основного обмена. Поясним разницу примером.
Если человек за час проехал на велосипеде 15 км, он затратил на преодоление пути порядка 400 ккал энергии (пищи и/или внутренних запасов), при этом полезная работа по перемещению человека и велосипеда по дороге составила 100 ккал. Суммарный КПД составляет 100/400 = 0,25, или 25%. Но за час пути из 400 ккал выработанной метаболической энергии затраты на основной обмен (поддержание жизнедеятельности) составили 70 ккал, и собственно на преодоление дороги было затрачено 400 – 70 = 330 (ккал). Практический КПД равен 100/330 = 0,30 (30%). Как видим, практический КПД выше суммарного.
На рисунке ниже – график практического КПД человека в зависимости от интенсивности обмена веществ (ккал/мин) и вида физической работы (задействованными мышцами). Из данных графика следует, что КПД в основном определяется видом деятельности, и слабо зависит от интенсивности обмена (тем не менее, имея точку максимума и уменьшаясь при более и менее интенсивной работе).
И, наконец, графики чистой производительности (в единицах мощности - ваттах) в зависимости от вида деятельности и интенсивности обмена. Опять-таки следует, что наиболее экономичны езда на велосипеде и вращение рукоятки.
Внешне схожи с велосипедом широко применявшиеся некогда во всех армиях мира солдат-моторы (армейские электрогенераторы) - источники электроэнергии для радиостанций с ножным приводом (левый рисунок внизу). Существовали и солдат-моторы с ручным приводом (правый рисунок).
Данными по КПД человека мы будем пользоваться в дальнейшем при оценке метаболической энергии, требуемой для выполнения определенной физической работы. Отношение к этой оценке сложилось довольно-таки странное. С точки зрения выживания животного и человека как вида выгоден наиболее высокий КПД, что позволяет выполнить требуемую работу с наименьшими затратами метаболической (т.е. пищи).
Современный же человек сокрушается, что чтобы «отработать» съеденное сверх положенного рациона пирожное, необходимо пройти пешком 5-10 км. Его бы более устроил очень низкий КПД.
Коэффициент полезного действия, или КПД сокращенно – это отношение затраченных ресурсов к результату выполненной с их использованием работы. С понятием КПД знакомы все – по школьному курсу физики, где КПД определяется как отношение полезной энергии ко всей суммарно использованной.
Возьмем, к примеру, автомобильный двигатель внутреннего сгорания. Полезная работа – это физическая работа, совершенная по перемещению груза и людей по дороге, а вот затраченная – это тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании затраченного на движение автомобиля топлива. В реальных двигателях всегда присутствуют потери (на трение деталей, бесполезные потери тепла), и КПД по определению меньше 1 (или 100%).
Но чем ближе КПД к теоретическому пределу 1, тем двигатель совершеннее. Вся история создания и развития механизмов и машин – борьба за повышение их КПД. КПД паровозов был порядка 5-8%, современный тепловоз превращает в работу 40% энергии топлива.
Можно ли говорить о КПД человека? Можно, а том смысле, в каком его можно рассматривать как машину по превращению энергии топлива (пищи) в полезную механическую энергию (человек, в отличие от электрических скатов, на вырабатывает электрической энергии, невозможна и выработка им световой, электромагнитной энергии в практических масштабах.
Примеры выполнения человеком механической работы – перемещение себя самого по горизонтали и вертикали (ходьба, бег, подъем по лестнице), езда на велосипеде или коляске с ручным приводом, подъем ведра с водой из колодца. Может быть выработана и электрическая энергия, если вращать (руками или ногами), вал электрической машины (примеры последних изобретений подобного рода – устройства для зарядки мобильных телефонов, т.н. USB динамо-машины).
Работу человек производит путем сокращения мышц, в которых энергия аккумулирована в виде молекул аденозинтрифосфата (АТФ). Но запасенная в молекулах АТФ энергия переходит в механическую не вся, бóльшая часть энергии расходуется на производство теплоты.
Наиболее эффективны крупные мышцы ног (КПД 20-35%), мышцы рук менее эффективны – их КПД порядка 5-15%. Из этого вытекает бóльшая эффективность средств передвижения, приводимых в движение ногами, в сравнении с приводимыми в движении руками. На рисунках ниже фотографии железнодорожных дрезин с ножным (слева) и ручным (справа) приводом.
В физиологии пользуются понятиями суммарного и практического КПД мышц. При вычислении суммарного КПД учитывается вся выработанная энергия, при вычислении практического КПД – выработанная энергия за вычетом энергии основного обмена. Поясним разницу примером.
Если человек за час проехал на велосипеде 15 км, он затратил на преодоление пути порядка 400 ккал энергии (пищи и/или внутренних запасов), при этом полезная работа по перемещению человека и велосипеда по дороге составила 100 ккал. Суммарный КПД составляет 100/400 = 0,25, или 25%. Но за час пути из 400 ккал выработанной метаболической энергии затраты на основной обмен (поддержание жизнедеятельности) составили 70 ккал, и собственно на преодоление дороги было затрачено 400 – 70 = 330 (ккал). Практический КПД равен 100/330 = 0,30 (30%). Как видим, практический КПД выше суммарного.
На рисунке ниже – график практического КПД человека в зависимости от интенсивности обмена веществ (ккал/мин) и вида физической работы (задействованными мышцами). Из данных графика следует, что КПД в основном определяется видом деятельности, и слабо зависит от интенсивности обмена (тем не менее, имея точку максимума и уменьшаясь при более и менее интенсивной работе).
И, наконец, графики чистой производительности (в единицах мощности - ваттах) в зависимости от вида деятельности и интенсивности обмена. Опять-таки следует, что наиболее экономичны езда на велосипеде и вращение рукоятки.
Внешне схожи с велосипедом широко применявшиеся некогда во всех армиях мира солдат-моторы (армейские электрогенераторы) - источники электроэнергии для радиостанций с ножным приводом (левый рисунок внизу). Существовали и солдат-моторы с ручным приводом (правый рисунок).
Данными по КПД человека мы будем пользоваться в дальнейшем при оценке метаболической энергии, требуемой для выполнения определенной физической работы. Отношение к этой оценке сложилось довольно-таки странное. С точки зрения выживания животного и человека как вида выгоден наиболее высокий КПД, что позволяет выполнить требуемую работу с наименьшими затратами метаболической (т.е. пищи).
Современный же человек сокрушается, что чтобы «отработать» съеденное сверх положенного рациона пирожное, необходимо пройти пешком 5-10 км. Его бы более устроил очень низкий КПД.