Энергия бега
Откуда берутся затраты энергии при ходьбе, беге? Центр массы. Он двигается при ходьбе вверх-вниз. Поднимается, опускается, поднимается, опускается. При ходьбе на скорости 5 км в час, примерно на h = 2.5 см при длине шага в 75 см, росте 168 и весе в 80 кг (ну такой первый попавшийся случайный человек по сферически-вакуумному имени Аркадий :)
Итак, чтобы пройти 1 км ему потребуется сделать
N = 1000м / 0.75 м = 1333 шага.
Соответственно, необходимо преодолеть сопротивление гравитационного поля, или запасти потенциальную энергию, равную
W = N*m*g*h = 1333*80*9.8*0.025 = 26127 (Дж).
Кроме того, при каждом шаге необходимо расеить эту запасенную потенциальную энергию, которая превращается в кинетическую при спуске центра массы. На это так же тратятся мышечные усилия, превращая эту энергию в тепло. По закону сохранения энергии сколько запасли, столько и потратили, поэтому полная энергия, потрачена сферическим Аркадием в вакууме равна
Wполн = W * 2 = 52254 (Дж).
Иначе говоря, при ходьбе, расход на километр и килограмм массы тела составляет приблизительно:
52254 Дж / 80 кг = 653 Дж/кг (на 1 км)
Теперь делаем небольшое допущение о том, что КПД тела оставляет 20% (то есть механическая энергия, которую мы вычисляли, составит только одну пятую от общих расходов тела).
Поэтому умножаем расходы эту величину на 5 и получаем удельный расходы 3265 Дж/(кг*км)
Теперь переведем эту величину в калории, помня о том, чот 1 кал = 4.2 Дж.
3265 / 4.2 = 778 (кал/(кг*км)) ~ 0.8 ккал/(кг*км)
Короче говоря, чуть меньше одной килокалории на 1 кг массы тела на пройденный километр.
У толстых (жирных) нетренированных людей КПД будет чуть-чуть пониже, у сухощавых и тренированных - повыше.
Причем это довольно универсальная величина, т.к. в среднем у людей схожие пропорции и соотношение длины шага к высоте подъёма при одном шаге примерно постоянное и составляет примерно 30.
При определенной скорости (это примерно 7.5 км/ч) и при человеческой биомеханике, энергетически становится невыгодно идти (то есть сохранять соотношение длины шага к высоте подъема 30) и мы переходим на бег, где присутствует фаза полёта. При этом соотношение длины к высоте становится боле выгодным, но, конечно, цена километра пробега становится чуть выше. Ближе к 1 ккал на км на кг.
Если мы переходим на самый быстрый спринтерский бег, он оказывается еще более эффективным, хотя тело и переходит в режим анаэробной работы, в которой мы можем двигаться совсем недолго. Но зато очень эффективно.
При правильной технике бега, по всей видимости (я не точно не уверен, это надо анализировать скоростную съемку спринтеров, чего я не делал) соотношение шага к высоте прыжка становится более выгодным, кроме того имеет место рекуперация энергии при приземлении. То есть энергия, накопленная мышцами при подъеме не целиком рассеивается мышцами при приземлении (как при ходьбе и медленном беге), а частично переходит на маховое движение следующего шага, что дает дополнительную экономию энергии.
Короче говоря, для оценки расхода энергии при ходьбе надо класть 0.8 ккал на км на кг, а при легком беге 1 ккал на км на кг. Можете сравнить с тем, что показывают ваши беговые дорожки.
Более точно измеряют расход с помощью специального газового анализатора - испытуемым надевают на лицо специальную маску, имеющую впускной и выпускной клапаны. Вдыхают они обычный воздух, а выдыхают его в газовый анализатор, который измеряет разницу в концентрации кислорода во входном и выходном воздухе.
Если задать испытуемому определенный режим аэробной работы (например, ходьба со скоростью 6.5 км в час на беговой дорожке) и при этом измерять потребление кислорода, можно прямо измерить энергопотребление.
Калибруется этот метод путем измерения потребления кислорода этим же самым человеком в состоянии покоя и нормальных условиях. Т.е. лежания на диване с этой же маской в течение долгого времени. Таким образом можно вычислить какой объем воздуха необходим чтобы окислить заданный рацион испытуемого.
В следующий раз расскажу про энергозатраты при езде на велосипеде, скейтборде, лыжах. И это всё капец как интересно, по-моему я по прикладной физиологии и биофизике читаю статей больше, чем по физике и сверхпроводимости :)
Итак, чтобы пройти 1 км ему потребуется сделать
N = 1000м / 0.75 м = 1333 шага.
Соответственно, необходимо преодолеть сопротивление гравитационного поля, или запасти потенциальную энергию, равную
W = N*m*g*h = 1333*80*9.8*0.025 = 26127 (Дж).
Кроме того, при каждом шаге необходимо расеить эту запасенную потенциальную энергию, которая превращается в кинетическую при спуске центра массы. На это так же тратятся мышечные усилия, превращая эту энергию в тепло. По закону сохранения энергии сколько запасли, столько и потратили, поэтому полная энергия, потрачена сферическим Аркадием в вакууме равна
Wполн = W * 2 = 52254 (Дж).
Иначе говоря, при ходьбе, расход на километр и килограмм массы тела составляет приблизительно:
52254 Дж / 80 кг = 653 Дж/кг (на 1 км)
Теперь делаем небольшое допущение о том, что КПД тела оставляет 20% (то есть механическая энергия, которую мы вычисляли, составит только одну пятую от общих расходов тела).
Поэтому умножаем расходы эту величину на 5 и получаем удельный расходы 3265 Дж/(кг*км)
Теперь переведем эту величину в калории, помня о том, чот 1 кал = 4.2 Дж.
3265 / 4.2 = 778 (кал/(кг*км)) ~ 0.8 ккал/(кг*км)
Короче говоря, чуть меньше одной килокалории на 1 кг массы тела на пройденный километр.
У толстых (жирных) нетренированных людей КПД будет чуть-чуть пониже, у сухощавых и тренированных - повыше.
Причем это довольно универсальная величина, т.к. в среднем у людей схожие пропорции и соотношение длины шага к высоте подъёма при одном шаге примерно постоянное и составляет примерно 30.
При определенной скорости (это примерно 7.5 км/ч) и при человеческой биомеханике, энергетически становится невыгодно идти (то есть сохранять соотношение длины шага к высоте подъема 30) и мы переходим на бег, где присутствует фаза полёта. При этом соотношение длины к высоте становится боле выгодным, но, конечно, цена километра пробега становится чуть выше. Ближе к 1 ккал на км на кг.
Если мы переходим на самый быстрый спринтерский бег, он оказывается еще более эффективным, хотя тело и переходит в режим анаэробной работы, в которой мы можем двигаться совсем недолго. Но зато очень эффективно.
При правильной технике бега, по всей видимости (я не точно не уверен, это надо анализировать скоростную съемку спринтеров, чего я не делал) соотношение шага к высоте прыжка становится более выгодным, кроме того имеет место рекуперация энергии при приземлении. То есть энергия, накопленная мышцами при подъеме не целиком рассеивается мышцами при приземлении (как при ходьбе и медленном беге), а частично переходит на маховое движение следующего шага, что дает дополнительную экономию энергии.
Короче говоря, для оценки расхода энергии при ходьбе надо класть 0.8 ккал на км на кг, а при легком беге 1 ккал на км на кг. Можете сравнить с тем, что показывают ваши беговые дорожки.
Более точно измеряют расход с помощью специального газового анализатора - испытуемым надевают на лицо специальную маску, имеющую впускной и выпускной клапаны. Вдыхают они обычный воздух, а выдыхают его в газовый анализатор, который измеряет разницу в концентрации кислорода во входном и выходном воздухе.
Если задать испытуемому определенный режим аэробной работы (например, ходьба со скоростью 6.5 км в час на беговой дорожке) и при этом измерять потребление кислорода, можно прямо измерить энергопотребление.
Калибруется этот метод путем измерения потребления кислорода этим же самым человеком в состоянии покоя и нормальных условиях. Т.е. лежания на диване с этой же маской в течение долгого времени. Таким образом можно вычислить какой объем воздуха необходим чтобы окислить заданный рацион испытуемого.
В следующий раз расскажу про энергозатраты при езде на велосипеде, скейтборде, лыжах. И это всё капец как интересно, по-моему я по прикладной физиологии и биофизике читаю статей больше, чем по физике и сверхпроводимости :)