Munca, energia și puterea în fizica oamenilor
Până la sfârșitul acestei secțiuni, veți putea:
- Explicați consumul de energie al corpului uman când este în repaus vs. atunci când se angajează în activități care fac munca utilă.
- Calculați conversia energiei chimice din alimente în lucrări utile.
Conversia energiei la oameni
Figura 1. Energia consumată de oameni este transformată în muncă, energie termică și grăsime stocată. De departe, cea mai mare fracție merge la energia termică, deși fracția variază în funcție de tipul de activitate fizică.
Propriile noastre corpuri, ca toate organismele vii, sunt mașini de conversie a energiei. Conservarea energiei implică faptul că energia chimică stocată în alimente este transformată în muncă, energie termică și/sau stocată ca energie chimică în țesutul gras. (Vezi Figura 1.) Fracția care intră în fiecare formă depinde atât de cât mâncăm cât și de nivelul nostru de activitate fizică. Dacă mâncăm mai mult decât este necesar pentru a face treabă și pentru a ne încălzi, restul devine grăsime corporală.
Puterea consumată în repaus
Rata la care organismul folosește energia alimentară pentru a susține viața și pentru a face diferite activități se numește rata metabolică. Rata totală de conversie a energiei unei persoane în repaus se numește rata metabolică bazală (BMR) și este împărțită între diferite sisteme din corp, așa cum se arată în Tabelul 1. Cea mai mare fracție merge la ficat și splină, creierul urmând . Desigur, în timpul exercițiilor energice, consumul de energie al mușchilor scheletici și al inimii crește semnificativ. Aproximativ 75% din caloriile arse într-o zi intră în aceste funcții de bază. BMR este o funcție de vârstă, sex, greutatea corporală totală și cantitatea de masă musculară (care arde mai multe calorii decât grăsimea corporală). Sportivii au o BMR mai mare datorită acestui ultim factor.
| Ficat și splină | 23 | 67 | 27 |
| Creier | 16 | 47 | 19 |
| Mușchi scheletic | 15 | 45 | 18 |
| Rinichi | 9 | 26 | 10 |
| Inima | 6 | 17 | 7 |
| Alte | 16 | 48 | 19 |
| Totaluri | 85 W | 250 ml/min | 100% |
Consumul de energie este direct proporțional cu consumul de oxigen, deoarece procesul digestiv este practic unul dintre alimentele oxidante. Putem măsura energia utilizată de oameni în timpul diferitelor activități prin măsurarea consumului de oxigen. (Vezi Figura 2.) Se produc aproximativ 20 kJ de energie pentru fiecare litru de oxigen consumat, independent de tipul de hrană. Tabelul 2 prezintă ratele consumului de energie și oxigen (energie consumată) pentru o varietate de activități.
Puterea de a face muncă utilă
Munca efectuată de o persoană este uneori numită muncă utilă, care este munca făcută în lumea exterioară, cum ar fi ridicarea greutăților. Munca utilă necesită o forță exercitată la distanță asupra lumii exterioare și, prin urmare, exclude munca internă, cum ar fi cea făcută de inimă atunci când pompează sânge. Munca utilă o face pe urcarea scărilor sau accelerarea la o alergare completă, deoarece acestea sunt realizate prin exercitarea forțelor asupra lumii exterioare. Forțele exercitate de corp sunt neconservatoare, astfel încât pot schimba energia mecanică (KE + PE) a sistemului lucrat, iar acesta este adesea scopul. Un jucător de baseball care aruncă o minge, de exemplu, mărește atât energia cinetică, cât și energia potențială a mingii.
Dacă o persoană are nevoie de mai multă energie decât consumă, cum ar fi atunci când face o muncă viguroasă, corpul trebuie să se folosească de energia chimică stocată în grăsimi. Așadar, exercițiile fizice pot fi utile în pierderea de grăsime. Cu toate acestea, cantitatea de exercițiu necesară pentru a produce o pierdere de grăsime sau pentru a arde caloriile suplimentare consumate în acea zi, poate fi mare, așa cum ilustrează exemplul 1.
Exemplul 1. Calculul pierderii în greutate din exerciții
Dacă o persoană care în mod normal necesită în medie 12.000 kJ (3000 kcal) de energie alimentară pe zi consumă 13.000 kJ pe zi, se va îngrășa constant. Cât de multă bicicletă pe zi este necesară pentru a obține acest 1000 kJ suplimentar?
Soluţie
Tabelul 2 indică faptul că 400 W sunt folosiți când mergeți cu o viteză moderată. Timpul necesar pentru a obține 1000 kJ la această rată este atunci
Discuţie
Dacă această persoană folosește mai multă energie decât consumă, corpul persoanei va obține energia necesară metabolizând grăsimea corporală. Dacă persoana folosește 13.000 kJ, dar consumă doar 12.000 kJ, atunci cantitatea de pierdere a grăsimii va fi