Při sestupu však musíte vyvinout ekvivalentní sílu, abyste zabránili zrychlení a nárazu do země …

Naprosto správné.

Stejně tak je skutečnost, že stoupání po schodech je běžně vnímáno jako výrazně vyčerpávající než sestup po stejných schodech čistě jako biomechanická věc, např. mít klouby místo svalů absorbovat / působit proti kinetické energii?

Správně. Při stoupání po schodech musíte vyvíjet velké síly svými velkými svaly. Když vaše nohy zvednou trup, vaše svaly dodávají dostatečné síly (s energetickými náklady), aby to dokázaly.

Když sestoupíte ze schodů, není to obrácený postup. Místo toho, abyste použili své velké svaly ke zpomalení, většina lidí vezme narovnanou nohu a zasadí ji na spodní schod. Zpomalení je dosaženo plastickou deformací kloubů, posunem tekutin v noze a materiálech v botách a podlaze. Na svaly stále existuje určitá energetická potřeba pro koordinaci a pohyb nohou, ale je to podstatně méně, než kdyby svaly prováděly zpomalení.

Komentáře

• většina “ plastické deformace atd. “ využívá rozptýlenou energii získanou z potenciálu. Je to zkušené, směrové použití svalů k zastavení otáčení, které vyžaduje nový kalorický vstup, což není moc.
• “ plastická deformace kloubů “ Opravdu? Zdá se, že by bylo opravdu rychlé poškodit tělo.
• @JMac, “ plastové “ na rozdíl do “ elastického „. Myšlenka je, že energie se rozptýlí, takže jakékoli šlachy nebo struktury, které se chovají jako pružiny a vracejí energii, nepomohou ‚. Ale deformující se chrupavka ano. Účelem ‚ není naznačovat, že dochází k poškození.
• Jako možná ilustrativní “ myšlenkový experiment „, mějte na paměti, že i mrtvé nebo bezvědomí lidské tělo je stále schopné spadnout po schodech (a odpočinout si dole). Je tedy zřejmé, že aktivní svalová práce není nutná k rozptýlení potenciální energie získané při sestupu ze schodů. (Pro praktičtější experiment použijte pytel brambor nebo cokoli jiného; téměř jakýkoli neelastický materiál bude mít stejné kvalitativní chování.)
• @DavidScarlett: Ujistěte se, že ‚ je velmi malý krok, nebo jen horizontální krok. Obávám se, že by si lidé mohli při přistání s klouby uzamčenými dokonce na jediném kroku normálního schodiště ublížit, pokud skutečně spadnou (nepoužívat zadní nohu k jejich zpomalení před nárazem.)

musíte vyvinout ekvivalentní sílu, abyste zabránili zrychlení a nárazu do země

Jako zvířata utrácíme kalorie, abychom šli nahoru a získali potenciální energii. Únava je míra vyčerpaných kalorií. V ideálním případě jít dolů nepotřebuje žádné kalorie a my jsme se nevyvinuli natolik, abychom je vzali zpět. Kromě interakce s třecími silami a určitou dovedností potřebnou k přenosu přebytečné energie do kroků je zapotřebí několik kalorií.

Přemýšlejte o lyžování. Dostat se na kopec pěšky vyžaduje hodně kalorií, (věřte tomu nebo ne, v roce 1958 jsem byl naučen chodit s lyžemi), abyste mohli ovládat rychlost sjíždění několika málo a nějakou dovednost (proto na tom kurzu, Bylo mi dobře, když jsem šel nahoru, ale skončil jsem ve spodní části kopce, bez dovedností). Energie je návrat kalorií vynaložených na zvýšení (částečně částečně, tření zabírá část).

Upravit po úpravě otázky:

Jediným důvodem, proč jsem do otázky vnesl rychlost, bylo ukázat, že ve skutečnosti musíte vynaložit energii směrem dolů

Jste ab Initio za předpokladu, že rychlost bere energii z vašich svalů. Rychlost klesání je udržována postupným snižováním potenciální energie sestupováním o krok. To se promění v rychlost vašeho těla, když zasáhnete krok, kterým normální síla odráží míč zpět, musíte vynaložit určitou svalovou energii, abyste neodskočili, ale v žádném případě se nevyrovná energii potřebné k přenesení vaší váhy o jeden krok.

Jsem si docela jistý, že tření nehrá v tomto myšlenkovém experimentu významnou roli.

Špatně. Tření hraje velmi významnou roli při chůzi, lezení nahoru nebo dolů. Zkoušeli jste chodit po ledě?

Ne, netvrdím, že sestup je subjektivně méně vyčerpávající, ptám se, proč je méně vyčerpávající.

Je to méně vyčerpávající, protože je zapotřebí méně energie ze svalů těla, která je potřebná k nasměrování způsobu sestupu ke kontrole uvolňování energie z postupného snižování potenciální energie těla. Směrování pohlcuje energii mnohem méně než zvedání.

Ze schodů nevychází žádná „volná“ nebo „automatická“ normální síla, která by vám bránila v akceleraci.

Zaplatili jste za to, že šlo po schodech nahoru. Inkrementální rychlost spouštění těla krok za krokem zasáhne krok a normální síla se vytvoří z nárazu, nikoli ze svalů. Svaly proti tomu musí mít kontrolu, abyste neodskočili jako míč, ale to je méně energie než potenciální krok, protože většinu z toho zabírá tření.

Jak již několik lidí zdůraznilo, my jako lidé nemáme způsob, jak využít nebo přeměnit naši uloženou potenciální energii k tomu, abychom se zpomalili.

Ne , ale naše tělo je dostatečně chytré, když je v rychlostní situaci, aby utratilo trochu svalové energie, aby nasměrovalo, kam tato rychlost jde. Rychlost přicházející z akcelerace pádu z kroku na krok se transformuje na tření (žádná pomocná kluzná obuv) a odskok těla v důsledku normální síly, vše pohltené třením a zářením. Nový příkon energie je malý vzhledem k energii vynaložené na získání vysokého potenciálu. Podívejte se na příklad lyží výše.

Po třetí úpravě je zde jednoduchý příklad:

1) Vezměte napůl nafouknutou kouli, která se několikrát odrazí, a zastaví se na rovné podlaze .

2) Zvedněte to nahoře vedle okraje. Získaná potenciální energie.

3) Dejte jí malý tlak, abyste se dostali k dalšímu kroku: vynaložila se malá část energie.

Odskočí po schodech bez další energie a v závislosti na tom, jak je vyfouknutý, může dosáhnout na zem nebo se zastavit mezi tím, že normální síla je větší než zisk kinetiky z potenciální energie z pádu jednoho kroku.

Komentáře

• Myslím, že příklad lyžování přesně ukazuje, proč musíte brzdit – jinak převádíte v podstatě veškerý svůj potenciál na kinetickou energii. Můj argument je, že brzdění vyžaduje matematicky přesně stejné množství energie.
• @Daniel a můj argument je, že regenerujete vynaloženou energii a použijete ji k brzdění, stejně jako u lyžařských dovedností, stačí strávit trochu nové energie otočením kotníku, abyste se ponořili hlouběji a zabrzdili rychlost. je to původní energie vynaložená na dosažení vyššího potenciálu vzhledem k brzdnému tření.
• jednodušší příklad: kbelík s vodou má potenciální energii na vrcholu kopce, nalije ji a utratí potenciální energie tekoucí z kopce. V případě schodů se nesrolujeme, ale potenciální energii postupně využíváme krok za krokem třením a zpětným rozptylem nohou na schodech. Některé kalorie se utrácejí při snižování svalů, ale stejně jako při stoupání.
• @Daniel ne, nedělá to ‚ t, o tření se postará to pro vás
• Nebylo by ‚ většiny tření při chůzi po schodech nahoru i dolů (alespoň tření mezi nohama a schody) statické tření , což znamená, že přenáší pouze potenciální a kinetickou energii mezi zemí a osobou, a ne na teplo? Na druhou stranu netuším, zda uvnitř nohou dochází k tření.

Je to biomechanická.

No, je to entropické.

Gravitační potenciální energie je opravdu vysoce kvalitní energie (s nízkou entropií). Převést jej na téměř libovolnou práci je opravdu snadné.

Když sestoupíme, přeměňujeme tuto gravitační potenciální energii na teplo namočením pomocí našich elastických kostí a vazů. Jedná se o snadnou přeměnu, protože přecházíme z energie s nízkou entropií na energii s vysokou entropií.

Nyní se provádí nějaká práce se svaly, než abychom jednoduše absorbovali šoky; díky tomu budeme mít při sestupu rovnováhu a kontrolu.

Energeticky vzhůru nám nic nebrání v ochlazení našich svalů a vazů a kostí a jejich použití k rozjetí kroků a generování gravitační potenciální energie . To by však porušilo zákony termodynamiky, konkrétně přeměnu energie s vysokou entropií na energii s nízkou entropií.

Místo toho jsme nuceni převést naši uloženou chemickou energii – ATP a další – na kinetickou energii, kterou pak přeměníme na gravitační potenciální energii.

Naše energetické zásoby ATP (a dalších uložených chemikálií) jsou vyčerpány a cítíme se unavení.

Biomechanický způsob, jakým je to realizováno, zahrnuje to, jak stoupáme a sestupujeme; pravděpodobně byste mohli udělat nějakého tvora, který není velmi efektivní při sestupu a využívá svaly celou cestu.

Existují lidé, kteří jdou „dolů po schodech“ sklouznutím po zábradlí a pouze spalují energii, aby generovali tření proti zábradlí. Toto je pravděpodobně nejefektivnější způsob, jak někdo sestoupit ze schodů.

V zásadě člověk nemůže stoupat tak efektivně, jak může sestupovat.

Energie není použita , je přeneseno a převedeno. „Dostupnou“ energií je vysoce kvalitní energie s nízkou entropií. Nikdy „neutrácíte“ energii na něco (kromě vytváření klidové hmoty, pokud nemluvíte o ekvivalenci hmoty a energie), místo toho převádíte energii s nízkou entropií na směs energie s nízkou entropií v jiné formě a vyšší entropie -energie „ztráta“.

• Vaše svaly vyvíjejí při stoupání větší sílu než sestup:

Při jízdě dolů musí vyvíjet sílu menší než gravitace, aby mohla ovládat vaši rychlost, zatímco při jízdě nahoru musí být síla, kterou vyvíjejí, alespoň rovná vaší hmotnosti, abyste mohli vystoupit. Takže vaše svaly dělají více práce vzestupně než sestupně, pohyby obvykle nejsou symetrické .

To „platí to zejména proto, že brzdná síla (pro„ pád “z kroku na krok, kterou poskytuje krok„ s normální síla ) není reakce síly vyvíjené vaší nohou svaly – můžete zasáhnout krok rovně nohama a nechte energii dopadu pasivně rozptýlit vaším tělem, přičemž v procesu strávíte velmi málo energie, jak je vysvětleno v BowOfRed odpovědi .

• Přirozené energetické ztráty vám pomáhají udržovat pohodlnou rychlost při jízdě dolů, zatímco to “ ztráta, kterou musíte kompenzovat, když jdete po schodech.

• A ano, ve hře jsou určitě také některé biomechanické aspekty. ehm, např. o kolik únavnější je sestupovat pomalým pohybem: jít velmi pomalu dolů je stěží jednodušší než jít stejnou rychlostí nahoru – zvyšuje to symetrii mezi oběma pohyby.

Komentáře

• Komentáře nejsou určeny pro rozšířenou diskusi; tato konverzace byla přesunuta do chatu .

Může se stát, že to, co musím říci, již bylo řečeno v jiných odpovědích implicitně, ale tuto odpověď zveřejňuji, protože nevidím odpověď, která je zjevně podobná odpovědi, kterou mám na mysli .

Při chůzi po schodech získává systém země-člověk potenciální energii. Tento přírůstek potenciální energie musí pocházet z biochemické energie člověka. Při chůzi po schodech tedy člověk musí pracovat alespoň množství přírůstku potenciální energie systému země-osoba.

Nyní, když sestupuje dolů, systém země-osoba ztrácí potenciální energii. Tato ztracená potenciální energie by tedy měla někam jít. první místo pro to je v makroskopické kinetické energii osoby. Až do tohoto bodu je zcela jasné, že daná osoba ze své biochemické energie neutrácí ani cent. Ale požadujeme, aby daná osoba nezískala žádnou makroskopickou energii. Měli bychom tedy přerozdělit energii, která se uvolňuje ze systému země-osoba, do jiných forem. Toto přerozdělování se provádí normálními reakčními silami mezi nohama osoba a schody. Přerozdělují energii do vibračního pohybu kroků a částečně do vibračního pohybu molekul nohou osoby atd. Ale toto je jen redistribuce energie. Osoba nemusí vůbec utrácet žádnou ze svých biochemických energií. Ve skutečnosti, pokud by osoba měla utratit nějakou energii, pak by existoval další požadavek na přerozdělení této dodatečně vynaložené energie.

Ignoroval jsem ztráty neúčinnosti atd., o nichž lze rozumně předpokládat, že jsou stejné při chůzi po schodech nahoru nebo dolů.

Odpověď je jednoduché:

-> Jít nahoru se provádí svalovou prací .

-> Jít dolů je (většinou) provedeno tlumením .

Vysvětlení:

Při stoupání se člověk ohýbá na kolenou a potom musí vynaložit značné množství síly (v závislosti na hmotnosti člověka), aby dostal nohu rovnou a zvedl se k dalšímu kroku.

Jít dolů (ideální , zjednodušený případ), nejprve člověk pomocí gravitace narovná nohu a poté uvolní svaly na druhé noze a začne padat.Než dosáhne nebezpečné rychlosti klesání (v závislosti na výšce schodů), rovná noha narazí na další krok a veškerá energie se rozptýlí systémy pohlcujícími nárazy vašeho těla.

Jinými slovy, sestup dolů je tvořen malými skoky. Říkám tomu ideální případ, protože tato konfigurace má za následek nejmenší využití svalové síly pro sestup dolů. Ve skutečnosti však člověk stále používá určitou svalovou energii k narovnání nohy, udržení její tuhosti atd., Což je podstatně méně než energie potřebná k tomu, abyste se vzchopili.

Odvedená práce se rovná síle vyvíjené časy, kdy se vzdálenost pohybuje ve směru síly .

Máte pravdu, že (k první aproximaci) jsou síly vyvíjené při pohybu nahoru a dolů stejné: v obou případech (opět k první aproximaci) máte těleso pohybující se konstantní rychlostí – ať už nahoru nebo dolů – působením gravitace, takže musí existovat síla vzhůru odpovídající gravitační síle.

Problém je v tom, že při vzestupu vyvíjejí svaly (šlachy, vazy, kosti atd. – celý „stroj“ těla) sílu dolů při pohybu nahoru, takže ztrácejí / vydávají energii ; při sestupu je síla stále dolů, ale teď pohyb je také dolů, takže svaly (atd.) přijímají / získávají energii.

Nyní, jak víte, svaly nemohou pracovat obráceně: jsou dobré v přeměně chemické energie na mechanickou energii , ale nemůžete „vložit mechanickou energii a získat chemickou energii zpět. Ale to neznamená, že nemohou přijímat energii: mohou, a to tím, že se zahřívají.

Je také pravda, že svaly potřebují k provozu energii, ať už dělají jakoukoli užitečná práce nebo ne. Není ale pravda, že energie potřebná k tomu, aby sval vyvinul specifickou sílu, je konstantní: velmi hrubě bude existovat režie „promarněné“ energie $ W (F) t $ pro danou sílu v daném čase, plus jakákoli práce odvedená svalu pohybem $ F \ cdot x $. Pokud se sval nepohybuje (přemýšlejte tlačením proti cihlové zdi), použijete pouze $ W (F) t $; pokud děláte skutečnou práci (takže se sval pohybuje kontrakcí), je to $ W (F) t + F \ cdot x $. Ztráta bude pravděpodobně podobná po schodech nahoru a dolů, ale práce odvedená svaly ne.

Komentáře

• Toto je správná odpověď. OP je zmatený ignorováním znaménka energie. V podstatě OP říká “ nahoru nebo dolů: stejná síla, stejná vzdálenost, stejná práce „. Mělo by to však být “ stejná síla, opačná vzdálenost, takže opačná práce „.
• Velmi pravdivé: Při chůzi dolů je třeba zbavit přebytečné energie ! (Nebo by někdo podle slov OP ‚ skončil jako mokrá skvrna na dně.) To může být například výzva při sjíždění strmého svahu. Někteří z těch, kteří přežili katastrofu na Mt Everestu v roce 1996, v podstatě sklouzli ze svahů do tábora. Nikdy nemohli vylézt stejnou cestou nahoru: byli příliš vyčerpaný.

U příkladu schodů jsem uvažoval z hlediska točivého momentu.

Chcete-li vystoupit, položte nohu ohnutou do horního kroku a poté přijměte impuls, abyste zvedli druhou nohu na to samé místo nebo dokonce na další krok. Když to uděláte, musíte kompenzovat točivý moment, který gravitace produkuje na vašem dřívějším koleni.

Při vazbě desky však gravitace tomuto momentu pomáhá dosáhnout nižšího stupně.

Nevím, jestli je to správné, ale tohle mě napadlo.

Když sestupuješ, přenášejte energii, nemusíte dodávat (téměř) nic. To málo energie, kterou musíte utratit, je potřeba k zvládnutí a kontrole přenosu (a sestupu); zbytek pochází z gravitační potenciální energie a bude přenášena jako mechanická energie a / nebo rozptýlena jako teplo. Mechanický přenos v kloubech a svalech může vést k traumatu, které lze vnímat jako příbuzné únavě nebo únavě.

Vy mohl teoreticky získat energii při sestupu, ale ve skutečnosti to neděláte. To nejlepší, co můžete udělat, je recyklovat určitou elastickou energii z jednoho kroku a pohánět další krok (existuje několik technik sestupu, které vás naučí, jak se k tomu pohybovat, a to pokud možno elegantně, bezpečně, rychle nebo levně. prodlužování s horní nohou – druhá proti gravitaci – je dražší než absorbování šoku nohou a dolní části nohy a sklouznutí dolů z jednoho kroku do druhého).

V chodidlech bot se rozptýlí spousta energie (zkuste jít dolů po dlouhém schodišti s dřevěnými lamelami namísto běžeckých bot, přičemž vaše svaly na nohou musí zvednout vůli), ať už pokrývá samotné kroky, v samotných krocích, pokud jsou dostatečně elastické atd.

Takže i když můžete efektivně nebo ne tak efektivně sestupovat a unavit se a / nebo bolavě klesat, energie vám utratit jít dolů je jen zlomek toho, co musíte jít nahoru, když musíte dodávat to gravitační potenciální energie z vašich vlastních zásob chemikálií.

Pokud jste byli dokonale tuhým tělem na dokonale tuhých schodech a pístovým tlumičem v obou kolenou, vynaložili byste jen velmi málo energie na to, abyste se posunuli dopředu a spadli na v dalším kroku a pak na něj spadnete, tlumiče absorbují otřes a rozptýlí ho jako teplo.

Komentáře

• Energie se nevytváří nebo zničeno. Veškerá spotřeba energie je přenos.

Myslím, že otázku lze zjednodušit tím, že se zeptáme na rozdíl mezi směrem nahoru a dolů část, když děláte dřepy .

Podívejme se nejprve na velmi jednoduchý model: Vertikální pružina visící ze stropu a hmota visící ze pružinu, která táhne pružinu směrem dolů. Když hmota klesá dolů, zvyšuje se potenciální energie na pružině. Když hmota stoupá nahoru, potenciální energie na pružině klesá. I když v obou případech pružina vyvíjí stejné síly. Síla nefunguje. Tečkový součin síly a posunutí je práce.

Jinými slovy: Když pružina (nebo sval) vyvíjí sílu, nemusí to nutně znamenat, že dělá jakoukoli práci. Funguje na vnějším objektu pouze tehdy, když síla něco pohne .

Nyní se vraťte ke skutečnému svalu. Podobně jako na jaře v našem příkladu lidský sval funguje, když se zkrátí, a práce je pozitivní, protože síla vyvíjená svalem je ve směru posunutí.

Vaše nohy jsou zapojeny tak, že při dřepech nahoru můžete zkrátit určité svaly a nohy se narovnají. Jak jsem tedy vysvětlil, při jízdě nahoru svaly provádějí mechanickou práci .

Při jízdě dolů síla je ve stejném směru, ale posun je opačný. Proto při sestupu dolů mechan Na svalech se pracuje ical. Může to být těžké pochopit, ale nyní přichází biomedicínská část: Na rozdíl od jara nemůže lidský sval ukládat energii, kterou získává cesta a energie se jen změní na teplo. Navíc kvůli tomu, jak buňky ve svalu skutečně fungují, musí napjaté svaly generovat teplo, i když jsou statické nebo prodlužují . To je důvod, proč jít dolů potřebuje energii.

Můžete to zkusit doma. (Může být snazší pozorovat, pokud použijete velkou váhu navíc, na kterou nejste zvyklí, ale nedoporučuji to.) to ze zdravotních důvodů.) Pokud děláte dřepy velmi pomalu, dominuje energie potřebná k výrobě tepla, protože dominují biomechanické důvody, a sestup dolů se cítí téměř stejně tvrdý jako stoupání. Pokud dřepíte velmi rychle, dominuje energie potřebná k výrobě mechanické práce a jít dolů se cítí mnohem jednodušší.

Komentáře

• Mohl by pachatel vysvětlit důvod?
• Jako někdo, kdo dřepne , Myslím, že toto je nejlepší odpověď na otázku, ale vzhledem k biologické povaze problému nemusí být Physics Stack Exchange tím nejlepším místem pro tuto otázku.

Ve vašem příspěvku jsou významné úpravy, takže je musím provést, abych se jimi zabýval, protože otázka je zajímavé.

Pojďme se zaměřit na jádro vaší otázky.

Chcete-li přejít z bodu A, spodní části schodiště do bodu B, horní části schodiště, musíme k tomu vynaložit energii $ mg \ Delta h = mg (B-A) $. Při lezení na to převedeme chemickou energii těla / svalů. Jak jste poznamenali, k sestupu není žádný způsob sestoupit ze schodů bez rozptylující $ mg (BA) $ energie. Je fyzicky nemožné přeložit určitou výšku bez vybití alespoň $ mg \ Delta h $ v energii. Otázkou je, kolik z $ mg (BA) $ musí mé tělo poskytnout ve formě chemické energie?

Řekněme, že si vezmu lano a kladku s brzdou, abych omezil svoji rychlost tření mezi brzdou rozptýlí energii alespoň $ mg \ Delta h = mg (BA) $.Proměňte mechanické tření v teplo.

Řekněme, že skočíte (ze útesu stejné výšky). Pak vaše tělo absorbuje $ mgh $ a vy pravděpodobně rozbijete věci nebo zemřete.

Ve výše uvedených dvou příkladech byl váš energetický výdej zanedbatelný. Klíčem je něco jiného, co rozptýlilo energii a bylo to nutné aby se alespoň $ mgh $ rozptýlilo i při sestupu, kde „gravitace pracuje ve váš prospěch.“ Snažím se ilustrovat to, že můžete sestupovat, aniž byste vynaložili velkou část své vlastní energie. Jak se to stane bez kladky nebo skákání?

Energie, kterou chcete rozptýlit, se rozptýlí v každém kroku pomocí mechaniky vašeho těla papírové kapesníky. Část normální síly vyvíjené schodištěm na vaše klouby, kosti, svaly, šlachy atd. … vše stlačí a odskočí a rozptýlí energii jako teplo. Které vaše tělo pak bude vyzařovat pryč. Pokud si myslíte, že to není významné, odhoďte cihlu nebo kus dřeva a uvidíte, jak dlouho se odrazí. Pokud se to neotáčí navždy, znamená to, že energie je rozptýlena samotným materiálem pomocí komprese a odskoku. Tato energie je rozptýlena mezimolekulárními a atomovými silami.

Původní analýza (předběžné úpravy)

Energie (nestrukturní analýza)

Lezení

Aby bylo možné vylézt po schodech, musí být poskytnuto 100% energie poskytnuté na svislé stoupání podle vašeho těla.

$ E _ {\ text {Climb}} = E _ {\ text {pe}} = mgh $

sestupně

Aby bylo možné sestoupit schody, musíte pouze zajistit malé svislé stoupání (abyste si zlomili nohu od tření) a poté malé množství energie, abyste mohli nohu otočit dopředu. Odtud ji převezme gravitace. Nechť „s předpokládejme , že uděláš krok 1/100. výšku schodů k zahájení sestupného kroku, pak:

$ E _ {\ text {descend}} \ přibližně \ frac {1} {100 } mgh $

Je zřejmé, že ze zjednodušené mechaniky popsané výše $ E _ {\ text {stoupání}} > > E _ {\ text {descend}} $.

Přirozeně jsou zapojeny i další síly. Svými nohami budete odolávat pádům ze schodů, ale můžete vidět, že využíváte uloženou potenciální energii vaší svislé výšky, kterou můžete použít k sestupu.

Čistá energie (přísnější) Analýza)

Na základě výše uvedeného odstavce vidíme, že jsme vytvořili předpoklady a ve skutečnosti jsme nevytvořili přísný model, který by zohledňoval všechny faktory. Byl to jednoduchý mentální experiment, který rychle ukázal, že jsme pravděpodobně na správná myšlenka. Lepší analýza se proto bude zabývat celým systémem tak, aby platily zákony zachování.

$ E _ {\ text {net}} = 0 $

Čistá energie pro stoupání

Následující rovnice čisté energie systému lépe ukáže, jak souvisí lidská energie s lezeckou energií. Rozdělme model na čtyři části: čistá energie ($ 0 $), potenciální energie ($ mgh $) , energetický výstup člověka a jakákoli gravitační energie ($ E _ {\ te xt {extra}} $), které nám můžeme pomoci.

$ E _ {\ text {net, lezení}} = E _ {\ text {human}} – E _ {\ text {pe}} + E _ {\ text {extra}} $

Ve stoupání náš $ E_ { \ text {extra}} = 0 $, protože nám nemůže pomoci gravitační energie (to znamená, že nás nic „neposune“ nahoru).

( 1) $ E _ {\ text {human, stoupání}} = E _ {\ text {pe}} $

Čistá energie pro sestup

Je zřejmé, že při sestupu můžeme přeměnit část potenciální energie na práci pro nás. Můžeme použít gravitační energii, která nám pomáhá, když nás táhne tam, kam chceme jít.

$ E _ {\ text {net, descending}} = E_ {\ text {human}} – E _ {\ text {pe}} + E _ {\ text {extra}} $

Tady, náš $ E_ {\ text {extra}} \ gt0 $, protože nějakou gravitační energii lze převést / využít, aby nám pomohla sestoupit.

$ (2) E _ {\ text {human, descend}} = E _ {\ text {pe}} – E _ {\ text {extra}} $

Je zřejmé, že $ (2) \ lt (1) $, protože $ E _ {\ text {extra}} \ gt0 $.

Síla vs energie

Když už mluvíme o rychlosti, určitě změnit model. Zavedení rychlosti , při které sestupujete nebo šplháte po schodech, znamená, že nyní mluvíme o moci , což je:

$ P _ {\ text {stairs}} = \ frac {E} {t} = \ frac {mgh} {t} $

Pokud zkrátíme čas stoupání na polovinu, zdvojnásobíme požadovaný výkon.

$ P_ {2} = \ frac {mgh} { 0.5t_ {1}} \ rightarrow P_ {2} = 2P_ {1} = 2 \ left (\ frac {mgh} {t_ {1}} \ right) $

To je důvod, proč bude běh po schodech vyčerpávající než procházka.

(A je zajímavé, že síla je důvodem, proč se vydáte, pokud se pokusíte zkratka po opravdu vysokých schodech. Zatímco $ \ Delta E $ je konstantní, jak se $ \ Delta t $ blíží nule, zjistíte, že máte vážné problémy.)

Přemýšlejte o energii, stoupající schody vyžadují od vás energii, abyste se mohli posunout nahoru. tato energie je uložena ve formě potenciální energie. V případě sestupu je však každý krok, který jste udělali, o přenosu vaší potenciální energie na schodiště (nikoli zpět do vašeho těla).

Souhrnně tedy při stoupání ztrácíte energii (kalorie z jídla). . A při sestupu neztrácíš (téměř) nic.

Komentáře

• Ne, energie se při sestupu z velké části vrátí zpět do tvého těla – jen ne v užitečné formě (‚ nebudete energičtější, prostě žhavější!).
• @psmears: v jaké podobě? nevrací se zpět a ukládá se jako tělesná energie (kalorie). zanedbáním svalového tření a dalších ztrát se energie do značné míry přenáší na Zemi (silou vyvíjenou na schody).
• Ve formě tepla – se (okrajově) zahřejete. ‚ ve skutečnosti není žádná energie přenášená na Zemi silou vyvíjenou na schody, protože přenos energie = (síla x vzdálenost se pohybuje ve směru síly) a schody ‚ se opravdu nehýbejte.
• Schodiště se hýbe, jen je to zanedbatelné kvůli gigantické velikosti Země ve srovnání s naším tělem. pokud by naše velikost a hmotnost byly srovnatelné, bude to pozorovatelné
• transformace energie z PE může být ve formě práce prováděné na pohybující se zemi, energie vibračních vln při kontaktu, teplo způsobené třením při pohybu dolů schodiště, ale ne zpět k tělu.

Vyvíjet sílu a namáhat svaly je ne totéž. I když se zcela uvolníte, budete potřebovat práci, aby se vaše kulhání pohnulo. Tato práce je přesně to, co vás vede k zpomalení dolů, když jdeš dolů po schodech.

Samozřejmě stále musíš namáhat svaly, když jdeš dolů, abys měl pod kontrolou svoji trajektorii a rychlost. Ale když jdeš nahoru, ta práce je třeba udělat kromě práce potřebné ke zvednutí váhy.

Poskytnu další odpověď , protože se zdá, že žádná z existujících odpovědí stručně neřeší energetickou účinnost.

Řekněme, že vaše svaly jsou 25% účinné. Zdá se, že to je na velkorysé straně , protože jízda na kole a veslování jsou pravděpodobně efektivnější využití vašich svalů ve srovnání s chůzí, kde musíte vynaložit větší úsilí, abyste si udrželi vyrovnejte se a absorbujte šok.

Takže když jdete do kopce, ve skutečnosti vynaložíte čtyřnásobnou energii lezení s nohama jako skutečné množství potenciální energie, kterou získáte. Tři části spočívají v 75% neúčinnosti, která generuje teplo v těle, a poslední část je 25%, která jde do skutečné potenciální energie.

Teď uvažujme o sestupu. dozadu z kopce používáte všechny stejné svaly a budete dělat zhruba stejný pohyb. Šel jsem nahoru a dolů a poblíž tak strmého kopce, abych to potvrdil. Při chůzi z kopce víme, že musíte nahoře generovat alespoň takové množství potenciální energie, abyste se mohli navinout dole bez zvýšení rychlosti. Ale to je veškerá energie, kterou potřebujete vygenerovat pro jednoduchou chůzi zpět z kopce! Veškerá vaše svalová energie je speciálně za účelem vysypání potenciální energie a její přeměny na teplo.

Takže chůze nahoru je vezmeme si alespoň 4krát více energie z tělesných zásob než při chůzi. Může to být více, protože existují způsoby, jak můžete účinněji rozptýlit potenciální energii – říká se tomu, že je méně efektivní při používání vašich svalů! Pokud jsou vaše svaly efektivní pouze 16% (low-end cituje na odkazované stránce), do kopce bude trvat 6,25krát více energie. Pokud část cesty z kopce sklouznete, bude to trvat ještě méně energie, protože energii rozptýlíte jako teplo z tření a ne ve svých svalech.

Komentáře

• O biologické neúčinnosti vám chyběl velmi velký bod: svaly spalují energii, i když neprobíhá žádná fyzikální práce. Spalují energii, i když se dělá negativní práce. Někdy hodně (zkoušení děláte negativy v tělocvičně!). ‚ Neregistrujete přiměřenost. Tvrzení zde “ Takže chůze nahoru je vezmete ze svých těl ‚ s minimálně 4krát více energie než při chůzi.“ je postaven na nedorozumění. To ‚ je základní problém s touto otázkou: ‚ nerozumíte situaci, aniž byste pochopili více biologie, než se většina fyziků kdy naučila.
• @dmckee Nesouhlasím. Uvedená čísla účinnosti byla měřena pomocí skutečné spotřeby kyslíku. To by bylo provedeno pouze během samotného cvičení. Ano, část této neúčinnosti je způsobena základním metabolismem, ale je to ‚ v kontextu námahy, ne v klidu. Nejsme ‚ znepokojeni energetickými toky mimo časové okno, ve kterém probíhá skutečná práce.

Jednoduché. Konstantní síla 1 g vás táhne dolů.

(ano, záleží to na vzdálenosti od Země atd. Atd., Ale pro vysvětlení stačí zjednodušený příklad)

Takže pokud chcete vystoupat na, řekněme napůl, musíte vyprodukovat 1,5 g síly, z nichž 1 g jde jen o zrušení gravitačního tahu.

Pokud potřebujete sestoupit se stejným zrychlením (poloviční ag) musíte vyprodukovat jen poloviční ag síly – abyste zrušili poloviční agitaci gravitací.

Takže 0,5 g pro sestup, 1,5 jděte pro výstup.

Pro další požadované zrychlení (řekněme 0,1 g, 0,05 g atd.) můžete počítat.

Komentáře

• Nemám ‚ nemyslím si, že ‚ je to, viz bod A) v mé úpravě … kdybych v každém kroku nadměrně kompenzoval g (jakýmkoli malým množstvím), zrychlil bych na neurčito .
• “ 1,5 g síly “ by pravděpodobně nemělo ‚ nesmí být napsáno na fyzice.stackexchange.
• -1 Sestup po schodech je snazší než výstup po dlouhé vzdálenosti při konstantní rychlosti (tj. Bez zrychlení).
• g je jednotka zrychlení, ne síla a rozhodně ne rychlost. Pokud ‚ cestujete konstantní rychlostí, máte zrychlení nula g. Na začátku bude malé zrychlení (ale zdaleka ne 0,5) a na konci malé zrychlení v opačném směru. Pokud začínáte v klidu a končíte v klidu, vaše průměrné zrychlení musí být nulové.
• Pokud kráčím po schodech nahoru nebo dolů, pak většinou ‚ ve skutečnosti nijak nezrychluje ani nezpomaluje – alespoň ne moc. Pokud by to bylo zrychlení, které způsobilo vyčerpání, nebylo by více namáhavé projít 50 schodů než vyjít jen jeden.