Beim Abstieg müssen Sie jedoch eine äquivalente Kraft ausüben, um zu verhindern, dass Sie beschleunigen und auf den Boden treffen …

Absolut korrekt.

Die Tatsache, dass das Aufsteigen von Treppen häufig als wesentlich anstrengender empfunden wird als das Absteigen derselben Treppe, ist rein biomechanisch, z Gelenke anstelle von Muskeln kinetische Energie absorbieren / entgegenwirken?

Richtig. Wenn Sie die Treppe hinaufgehen, müssen Sie große Kräfte durch Ihre großen Muskeln ausüben. Wenn Ihre Beine Ihren Oberkörper anheben, liefern Ihre Muskeln ausreichend Kräfte (mit Energiekosten), um dies zu tun.

Wenn Sie die Treppe hinuntergehen, ist dies nicht die Umkehrung des Aufstiegs. Anstatt Ihre großen Muskeln zum Abbremsen zu verwenden, nehmen die meisten Menschen ein gestrecktes Bein und pflanzen es auf die untere Stufe. Die Verzögerung wird durch plastische Verformung der Gelenke, Flüssigkeitsverdrängung in Ihrem Fuß und den Materialien in Ihren Schuhen und auf dem Boden erreicht. Es gibt immer noch einen gewissen Energiebedarf an den Muskeln für die Koordination und Bewegung der Beine, aber er ist deutlich geringer als wenn die Muskeln den Verzögerungsjob ausführen würden.

Kommentare

• Der größte Teil der “ plastischen Verformung usw. “ verwendet gestreute Energie aus dem aus dem Potential gewonnenen. Es ist die geschickte, gerichtete Verwendung der Muskeln, um das Rollen zu stoppen, die einen neuen Kalorieneintrag erfordert, der nicht sehr viel ist.
• “ plastische Verformung in Gelenken “ Wirklich? Das scheint sehr schnell zu sein, um den Körper zu beschädigen.
• @JMac, “ Kunststoff “ im Gegensatz zu “ elastisch „. Die Idee ist, dass Energie abgeführt wird, sodass Sehnen oder Strukturen, die wie Federn wirken und Energie zurückgeben, ‚ nicht helfen. Aber Knorpel, der sich verformt, tut es. ‚ soll nicht bedeuten, dass Schaden auftritt.
• Als vielleicht veranschaulichendes “ Gedankenexperiment „, beachten Sie, dass selbst ein toter oder bewusstloser menschlicher Körper noch eine Treppe hinunterstürzen kann (und unten zur Ruhe kommt). Daher ist natürlich keine aktive Muskelarbeit erforderlich, um die potenzielle Energie abzuleiten, die beim Abstieg von der Treppe gewonnen wird. (Für ein praktischeres Experiment ersetzen Sie einen Sack Kartoffeln oder was auch immer; fast jedes nicht elastische Material hat das gleiche qualitative Verhalten.)
• @DavidScarlett: Stellen Sie sicher, dass es ‚ ist ein sehr kleiner Schritt oder nur ein horizontaler Schritt. Ich mache mir Sorgen, dass Menschen sich beim Landen mit Gelenken verletzen könnten, selbst wenn sie nur auf einer einzigen Stufe einer normalen Treppe verriegelt sind, wenn sie wirklich fallen (ohne das hintere Bein zu verwenden, um sie vor dem Aufprall zu verlangsamen).

Sie müssen eine äquivalente Kraft ausüben, um zu verhindern, dass Sie beschleunigen und auf den Boden treffen

Als Tiere verbrauchen wir Kalorien, um zu steigen und potenzielle Energie zu gewinnen. Müdigkeit ist ein Maß für die verbrauchten Kalorien. Im Idealfall benötigt das Abnehmen keine Kalorien, und wir haben uns nicht so weit entwickelt, dass wir sie zurücknehmen können. Es werden nur wenige Kalorien für die Interaktion mit Reibungskräften und einige Fähigkeiten benötigt, um die überschüssige Energie auf die Stufen zu übertragen.

Denken Sie an Skifahren. Um zu Fuß den Berg hinaufzukommen, braucht man viele Kalorien (ob Sie es glauben oder nicht, 1958 wurde mir beigebracht, mit Skiern hochzugehen), um die Geschwindigkeit zu kontrollieren, die ein paar Mal nach unten rutscht, und einige Fähigkeiten (deshalb in diesem Kurs). Mir ging es gut, aber ich endete mit einem Splat am Fuße des Hügels (ohne Fähigkeiten). Die Energie ist die Rückgabe der Kalorien, die für den Anstieg aufgewendet werden (teilweise nimmt die Reibung einen Teil davon ein).

Bearbeiten nach Bearbeiten der Frage:

Der einzige Grund, warum ich Geschwindigkeit in die Frage eingeführt habe, war zu zeigen, dass Sie tatsächlich Energie verbrauchen müssen, wenn Sie nach unten gehen.

Sie sind ab Initio unter der Annahme, dass die Geschwindigkeit Energie von Ihren Muskeln nimmt. Die Abwärtsgeschwindigkeit wird durch die schrittweise Verringerung der potentiellen Energie durch Abwärtsschritt aufrechterhalten. Das wird zu einer Geschwindigkeit Ihres Körpers. Wenn Sie den Schritt treffen, bei dem eine normale Kraft einen Ball zurückprallt, müssen Sie etwas Muskelenergie aufwenden, um nicht zu springen, aber in keiner Weise der Energie, die erforderlich ist, um Ihr Gewicht einen Schritt nach oben zu tragen.

Ich bin mir ziemlich sicher, dass Reibung in diesem Gedankenexperiment keine bedeutende Rolle spielt.

Falsch. Reibung spielt beim Gehen, Auf- und Absteigen eine sehr wichtige Rolle. Haben Sie versucht, auf Eis zu gehen?

Nein, ich behaupte nicht, dass das Absteigen subjektiv weniger anstrengend ist. Ich frage, warum es weniger anstrengend ist.

Es ist weniger anstrengend, weil weniger Energie von den Muskeln des Körpers benötigt wird, um den Abstieg zu steuern und die Freisetzung von Energie aus der schrittweisen Absenkung der potentiellen Energie des Körpers zu steuern. Das Richten absorbiert viel weniger Energie als das Heben.

Von den Treppen geht keine „freie“ oder „automatische“ Normalkraft aus, die Sie am Beschleunigen hindert.

Sie haben dafür bezahlt, dass Sie die Treppe hinaufgegangen sind. Die inkrementelle Geschwindigkeit, mit der der Körper schrittweise abgesenkt wird, trifft auf die Stufe, und durch den Aufprall wird eine Normalkraft erzeugt, nicht durch die Muskeln. Die Muskeln müssen sich dagegen kontrollieren, damit Sie nicht wie ein Ball springen, aber das ist weniger Energie als der mögliche Schritt, da die Reibung den größten Teil davon aufnimmt.

Wie mehrere Leute betonten, haben wir als Menschen auch keine Möglichkeit, unsere gespeicherte potentielle Energie zu nutzen oder umzuwandeln, um uns selbst zu verlangsamen.

Nein Aber unser Körper ist klug genug, wenn er sich in einer Geschwindigkeitssituation befindet, um ein wenig Muskelenergie zu verbrauchen, um zu bestimmen, wohin diese Geschwindigkeit geht. Die Geschwindigkeit, die durch die Beschleunigung des Fallens von Schritt zu Schritt entsteht, wird in Reibung (keine Gleitschuhe helfen) und ein Aufprallen des Körpers aufgrund der Normalkraft umgewandelt, die alle durch Reibung und Strahlung aufgefressen werden. Der neue Energieeinsatz ist im Verhältnis zu der Energie, die aufgewendet wird, um ein hohes Potenzial zu erreichen, gering. Siehe das Ski-Beispiel oben.

Nach der dritten Bearbeitung ist hier ein einfaches Beispiel:

1) Nehmen Sie einen halb aufgeblasenen Ball, der einige Male abprallt, und halten Sie auf einem flachen Boden an .

2) Heben Sie es neben der Kante nach oben. Potenzielle Energiegewinnung.

3) Geben Sie einen kleinen Druck, um auf den nächsten Schritt zu fallen: ein kleines bisschen Energie wird verbraucht.

Es wird die Stufen ohne zusätzliche Energie abprallen und kann, abhängig davon, wie entleert es ist, den Boden erreichen oder dazwischen anhalten, da die Normalkraft größer ist als der Gewinn an Kinetik aus potentieller Energie aus dem Fall eines Schritts.

Kommentare

• Ich denke, das Ski-Beispiel zeigt genau, warum Sie bremsen müssen – ansonsten wandeln Sie im Grunde Ihr gesamtes Potenzial in kinetische Energie um. Mein Argument ist, dass das Bremsen mathematisch genau die gleiche Energiemenge benötigt.
• @Daniel und mein Argument ist, dass Sie die verbrauchte Energie zurückgewinnen und zum Bremsen verwenden, wie Sie es mit Skifahren tun würden, indem Sie nur a ausgeben wenig neue Energie, indem Sie Ihren Knöchel drehen, um tiefer zu graben und die Geschwindigkeit zu bremsen. Es ist die ursprüngliche Energie, die aufgewendet wird, um das höhere Potential zu erreichen, das der Bremsreibung gegeben ist.
• Ein einfacheres Beispiel: Ein Eimer Wasser hat potentielle Energie auf der Spitze des Hügels, gießt sie ein und verbraucht die potenzielle Energie läuft bergab. Bei den Treppen rollen wir nicht herunter, sondern verbrauchen die potentielle Energie schrittweise mit Reibung und Rückstreuung der Füße auf der Stufe. Einige Kalorien werden in Muskeln verbraucht, die nach unten treten, aber nicht so viel wie beim Aufsteigen.
• @Daniel nein, ‚ t, Reibung wird sich darum kümmern es für Sie
• Wäre ‚ nicht der größte Teil der Reibung beim Treppensteigen (zumindest die Reibung zwischen Ihren Füßen und den Stufen) Haftreibung , dh es überträgt nur Potential und kinetische Energie zwischen der Erde und der Person und nicht in Wärme? Andererseits habe ich keine Ahnung, ob es innere Reibung in den Beinen gibt.

Es ist biomechanisch.

Nun, es ist enthusiastisch.

Gravitationspotentialenergie ist wirklich qualitativ hochwertige Energie (niedrige Entropie). Die Umwandlung in nahezu willkürliche Arbeit ist wirklich einfach.

Wenn wir nach unten gehen, wandeln wir diese potentielle Gravitationsenergie in Wärme um, indem wir sie mit unseren elastischen Knochen und Bändern einweichen. Dies ist eine einfache Umwandlung, da wir von einer Energie mit niedriger Entropie zu einer Energie mit hoher Entropie übergehen.

Nun wird einige Muskelarbeit geleistet, die über das einfache Absorbieren der Schocks hinausgeht. Dies hält uns beim Abstieg im Gleichgewicht und unter Kontrolle.

Wenn wir nach oben gehen, hindert uns nichts daran, unsere Muskeln, Bänder und Knochen zu kühlen und damit die Stufen hochzuspringen und potentielle Gravitationsenergie zu erzeugen . Dies würde jedoch gegen die Gesetze der Thermodynamik verstoßen, nämlich die Umwandlung von Energie mit hoher Entropie in Energie mit niedriger Enthropie.

Stattdessen sind wir gezwungen, unsere gespeicherte chemische Energie – ATP und andere – in kinetische Energie umzuwandeln. Diese wandeln wir dann in potentielle Gravitationsenergie um.

Unsere ATP-Energiereserven (und andere gespeicherte chemische Energiereserven) sind erschöpft und wir fühlen uns müde.

Die biomechanische Art und Weise, wie dies realisiert wird, beinhaltet, wie wir klettern und absteigen. Sie könnten wahrscheinlich eine Kreatur erschaffen, die beim Abstieg nicht sehr effizient ist und den gesamten Weg Muskeln beansprucht.

Es gibt Leute, die „Treppen runter“ gehen, indem sie ein Geländer herunterrutschen und nur Energie verbrennen, um Reibung zu erzeugen Dies ist wahrscheinlich der effizienteste Weg für jemanden, Treppen hinunterzugehen.

Grundsätzlich kann man nicht so effizient klettern, wie man absteigen kann.

Energie wird nicht verwendet wird übertragen und konvertiert. „Verfügbare“ Energie ist hochwertige Energie mit niedriger Entropie. Sie „verbrauchen“ niemals Energie für etwas (außer für die Erzeugung von Ruhemasse, wenn Sie nicht über Masse-Energie-Äquivalenz sprechen), sondern wandeln Energie mit niedriger Entropie in eine Mischung aus Energie mit niedriger Entropie einer anderen Form und höherer Entropie um -Energie „Verlust“.

• Ihre Muskeln üben beim Aufsteigen mehr Kraft aus als beim Abstieg:

Wenn sie nach unten gehen, müssen sie eine Kraft ausüben, die kleiner als die Schwerkraft ist, um Ihre Geschwindigkeit zu kontrollieren. Wenn sie nach oben gehen, muss die Kraft, die sie ausüben, mindestens gleich Ihrem Gewicht, damit Sie aufsteigen können. Ihre Muskeln arbeiten also mehr aufsteigend als absteigend. Die Bewegungen sind normalerweise nicht symmetrisch .

Das Dies gilt insbesondere, weil die Bremskraft (für den „Fall“ von Schritt zu Schritt, bereitgestellt durch die Schritt „s Normalkraft ) nicht eine Reaktion einer Kraft, die von Ihrem Bein ausgeübt wird Muskeln – Sie können die treffen Treten Sie mit geraden Beinen und lassen Sie die Aufprallenergie passiv durch Ihren Körper zerstreuen, wobei Sie nur sehr wenig Energie verbrauchen. Dies wird auch in der Antwort von BowOfRed erläutert.

• Die natürlichen Energieverluste helfen Ihnen dabei, eine angenehme Geschwindigkeit nach unten zu halten. Ein Verlust, den Sie ausgleichen müssen, wenn Sie nach oben gehen.

• Und ja, es gibt sicherlich auch einige biomechanische Aspekte Zum Beispiel, wie viel mühsamer es ist, in Zeitlupe abzusteigen: Sehr langsam nach unten zu gehen ist kaum einfacher als mit derselben Geschwindigkeit nach oben zu gehen – es erhöht die Symmetrie zwischen beiden Bewegungen.

Kommentare

• Kommentare sind nicht für eine ausführliche Diskussion gedacht. Diese Konversation wurde in den Chat verschoben .

Die Antwort lautet Einfach:

-> Das Aufsteigen erfolgt durch Muskelarbeit .

-> Das Herunterfahren erfolgt (meistens) durch stoßdämpfende .

Erklären:

Beim Aufstieg beugt man die Knie und muss dann (je nach Gewicht) eine beträchtliche Kraft aufwenden, um sein Bein gerade zu halten und sich zum nächsten Schritt zu heben.

Abstieg (ideal) , vereinfachter Fall), zuerst nutzt man die Schwerkraft, um sein Bein zu strecken, entspannt dann die Muskeln im anderen Bein und beginnt zu fallen.Bevor er eine gefährliche Fallgeschwindigkeit erreicht (abhängig von der Höhe der Stufen), trifft das gerade Bein die nächste Stufe und die gesamte Energie wird von Ihren stoßdämpfenden Körpersystemen abgeführt.

Mit anderen Worten, das Hinuntergehen besteht aus kleinen Sprüngen. Ich nenne es Idealfall, da diese Konfiguration dazu führt, dass die Muskelkraft am wenigsten genutzt wird, um nach unten zu gehen. In Wirklichkeit verbraucht man jedoch immer noch etwas Muskelenergie, um sein Bein gerade zu halten, es steif zu halten usw., was erheblich weniger ist als die Energie, die erforderlich ist, um sich hochzuheben.

Die geleistete Arbeit entspricht der ausgeübten Kraft mal der zurückgelegten Strecke in Richtung der Kraft .

Sie haben Recht, dass (in erster Näherung) die beim Auf- und Absteigen ausgeübten Kräfte gleich sind: In beiden Fällen (wieder in erster Näherung) haben Sie a Körper, der sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt – ob nach oben oder unten – der Schwerkraft ausgesetzt ist, daher muss eine Aufwärtskraft vorhanden sein, die der Schwerkraft entspricht.

Das Problem ist, dass die Muskeln (Sehnen, Bänder, Knochen usw. – die gesamte „Maschine“ des Körpers) beim Aufstieg eine nach unten gerichtete Kraft ausüben, während sie sich nach oben bewegen, sodass sie Energie verlieren / verbrauchen Beim Abstieg ist die Kraft immer noch nach unten gerichtet, aber jetzt Die Bewegung ist auch nach unten gerichtet, sodass die Muskeln (usw.) Energie empfangen / gewinnen.

Nun, wie Sie wissen, können Muskeln nicht umgekehrt arbeiten: Sie können chemische Energie gut in mechanische Energie umwandeln , aber Sie können keine mechanische Energie einsetzen und keine chemische Energie zurückgewinnen. Das heißt aber nicht, dass sie keine Energie aufnehmen können: Sie können und sie tun dies, indem sie sich erwärmen.

Es ist auch wahr, dass Muskeln Energie benötigen, um zu funktionieren, unabhängig davon, ob sie etwas tun nützliche Arbeit oder nicht. Es ist jedoch nicht wahr, dass die Energie, die ein Muskel benötigt, um eine bestimmte Kraft auszuüben, konstant ist: Sehr grob wird es einen Overhead an „verschwendeter“ Energie $ W (F) t $ für eine bestimmte Kraft über einen bestimmten Zeitraum geben. plus jede Arbeit, die der Muskel durch Bewegung $ F \ cdot x $ erledigt. Wenn sich der Muskel nicht bewegt (denken Sie daran, gegen eine Mauer zu drücken), verwenden Sie nur $ W (F) t $; Wenn Sie tatsächlich arbeiten (der Muskel bewegt sich also durch Kontraktion), ist dies $ W (F) t + F \ cdot x $. Die Verschwendung wird wahrscheinlich ähnlich sein, wenn Sie Treppen hoch und runter gehen, aber die Arbeit wird von den Muskeln geleistet wird nicht.

Kommentare

• Dies ist die richtige Antwort. OP wird durch Ignorieren des Vorzeichens der Energie verwirrt. Grundsätzlich sagt OP “ nach oben oder unten: gleiche Kraft, gleicher Abstand, also gleiche Arbeit „. Aber es sollte “ gleiche Kraft, entgegengesetzter Abstand, also entgegengesetzte Arbeit „.
• Sehr wahr: Wenn man nach unten geht, muss man überschüssige Energie abwerfen ! (Oder man würde in den Worten des OP ‚ als nasser Fleck am Ende enden.) Dies kann beispielsweise eine erhebliche Herausforderung sein Einige Überlebende der Mt. Everest-Katastrophe von 1996 rutschten im Grunde genommen die Hänge hinunter zum Lager. Sie hätten niemals den gleichen Weg nach oben klettern können: Sie waren zu e erschöpft.

Für das Treppenbeispiel habe ich in Bezug auf das Drehmoment gedacht.

Wenn Sie aufsteigen möchten, legen Sie Ihr Bein gebeugt in die obere Stufe und nehmen dann den Impuls, das andere Bein bis zu diesem Punkt oder sogar bis zur nächsten Stufe anzuheben. Wenn Sie dies tun, müssen Sie das Drehmoment kompensieren, das die Schwerkraft auf Ihrem früheren Knie erzeugt.

Beim Entspannen hilft die Schwerkraft diesem Drehmoment jedoch beim Erreichen der unteren Stufe.

Ich weiß nicht, ob das richtig ist, aber das ist mir in den Sinn gekommen.

Wenn Sie absteigen, Sie übertragen die Energie, Sie müssen (fast) nichts liefern. Die geringe Energie, die Sie ausgeben müssen, ist die, die erforderlich ist, um die Übertragung (und den Abstieg) zu handhaben und zu steuern, der Rest kommt von der Energie des Gravitationspotentials und wird als mechanische Energie übertragen und / oder als Wärme abgeführt. Die mechanische Übertragung in Gelenken und Muskeln kann zu einem Trauma führen, das als Verwandtschaft zu Müdigkeit oder Erschöpfung wahrgenommen werden kann.

Sie

Ich denke, die Frage kann vereinfacht werden, indem man den Unterschied zwischen Aufwärts und Abwärts berücksichtigt Teil, wenn Kniebeugen macht .

Betrachten wir zunächst ein sehr einfaches Modell: Eine vertikale Feder, die von der Decke hängt, und eine Masse, die an der Decke hängt die Feder, die die Feder nach unten zieht. Wenn die Masse nach unten geht, steigt die potentielle Energie an der Feder. Wenn die Masse nach oben geht, nimmt die potentielle Energie an der Feder ab. Das ist, obwohl in beiden Fällen die Feder die gleichen Kräfte ausübt. Kraft funktioniert nicht. Das Punktprodukt von Kraft und Verschiebung ist Arbeit.

Mit anderen Worten: Wenn eine Feder (oder Ein Muskel übt eine Kraft aus, dies bedeutet nicht unbedingt, dass er irgendeine Arbeit leistet. Er wirkt nur dann auf ein äußeres Objekt, wenn die Kraft etwas bewegt .

Kehren Sie nun zu einem echten Muskel zurück. Wie die Feder in unserem Beispiel arbeitet ein menschlicher Muskel, wenn er sich verkürzt, und die Arbeit ist positiv, weil die vom Muskel ausgeübte Kraft ist in Richtung der Verschiebung.

Ihre Beine sind so verdrahtet, dass Sie beim Hocken nach oben bestimmte Muskeln verkürzen und Ihre Beine strecken können. Wie ich bereits erklärte, beim Aufwärtsarbeiten leisten die Muskeln mechanische Arbeit .

Beim Abstieg Die Kraft ist in die gleiche Richtung, aber die Verschiebung ist entgegengesetzt. Daher beim Abwärtsfahren, mechan Die Muskeln werden medizinisch bearbeitet. Dies mag schwer zu verstehen sein, aber jetzt kommt der biomedizinische Teil: Im Gegensatz zur Feder kann der menschliche Muskel die Energie, die er dadurch gewinnt, nicht speichern Weg und die Energie verwandelt sich nur in Wärme. Aufgrund der tatsächlichen Funktionsweise der Muskelzellen müssen angespannte Muskeln Wärme erzeugen, selbst wenn sie statisch sind oder sich verlängern. . Aus diesem Grund benötigt das Abwärtsgehen Energie.

Sie können dies zu Hause versuchen. (Es ist möglicherweise einfacher zu beobachten, wenn Sie ein großes zusätzliches Gewicht verwenden, an das Sie nicht gewöhnt sind, aber ich empfehle es nicht das aus medizinischen Gründen.) Wenn Sie sehr langsam in die Hocke gehen, dominiert die Energie, die zur Erzeugung von Wärme benötigt wird, weil biomechanische Gründe dominieren, und das Absenken fühlt sich fast so schwer an wie das Aufsteigen. Wenn Sie sehr schnell in die Hocke gehen, dominiert die Energie, die zur Erzeugung mechanischer Arbeit benötigt wird und das Hinuntergehen fühlt sich viel einfacher an.

Kommentare

• Könnte der Downvoter den Grund erklären?
• Als jemand, der hockt Ich denke, dies ist die beste Antwort auf die Frage, aber aufgrund der biologischen Natur des Problems war Physics Stack Exchange möglicherweise nicht der beste Ort für die Frage.

Ihr Beitrag enthält erhebliche Änderungen, daher muss ich aufgrund der Frage erhebliche Änderungen vornehmen, um sie zu beantworten ist interessant.

Lassen Sie uns zum Kern Ihrer Frage kommen.

Um von Punkt A unten an der Treppe zu Punkt B oben an der Treppe zu gelangen, müssen wir dafür $ mg \ Delta h = mg (B-A) $ Energie aufbringen. Beim Klettern wandeln wir dazu die chemische Energie des Körpers / der Muskeln um. Zum Abstieg gibt es, wie Sie bereits bemerkt haben, keine Möglichkeit , die Treppe ohne Verlust von $ mg (BA) $ Energie. Es ist physikalisch unmöglich, eine gewisse Höhe zu übersetzen, ohne mindestens $ mg \ Delta h $ zu entladen Die Frage ist, wie viel $ mg (BA) $ mein Körper in Form von chemischer Energie bereitstellen muss.

Angenommen, ich nehme ein Seil und eine Rolle mit einer Bremse, um meine Rate zu begrenzen Die Reibung zwischen den Bremsen führt zu einem Energieverlust von mindestens $ mg \ Delta h = mg (BA) $.Mechanische Reibung in Wärme umwandeln.

Angenommen, Sie springen (von einer gleich hohen Klippe). Dann wird Ihr Körper $ mgh $ absorbieren und Sie werden wahrscheinlich Dinge zerbrechen oder sterben.

In den beiden obigen Beispielen war Ihre Energieabgabe vernachlässigbar. Der Schlüssel hier ist, dass etwas anderes die Energie verbraucht und es notwendig war Damit mindestens $ mgh $ auch beim Abstieg abgebaut werden, wo „die Schwerkraft zu Ihren Gunsten wirkt“. Ich versuche zu veranschaulichen, dass Sie absteigen können, ohne viel von Ihrer eigenen Energie auszuüben. Wie geschieht dies ohne Riemenscheibe oder ohne Springen?

Die Energie, die Sie abführen möchten, wird in jedem Schritt mithilfe der Mechanik Ihres Körpers abgeführt Gewebe. Ein Teil der normalen Kraft, die die Treppe auf Ihre Gelenke, Knochen, Muskeln, Sehnen usw. ausübt, komprimiert und prallt ab und leitet die Energie als Wärme ab. Welche Ihr Körper wird dann wegstrahlen. Wenn Sie der Meinung sind, dass dies nicht von Bedeutung ist, lassen Sie einen Ziegelstein oder ein Stück Holz fallen und sehen Sie, wie lange es abprallt. Wenn es nicht für immer springt, bedeutet dies, dass die Energie vom Material selbst durch Komprimierung und Rückprall abgeführt wird. Diese Energie wird durch intermolekulare und atomare Kräfte abgebaut.

Originalanalyse (Vorbearbeitung)

Energie (nicht rigorose Analyse)

Klettern

Um die Treppe zu erklimmen, müssen 100% der Energie bereitgestellt werden, die für das vertikale Klettern bereitgestellt wird von Ihrem Körper.

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

Absteigend

Um die Treppen müssen Sie nur einen kleinen vertikalen Aufstieg (um Ihren Fuß von Reibung zu befreien) und dann eine kleine Menge Energie bereitstellen, um Ihr Bein nach vorne zu schwenken. Von dort übernimmt die Schwerkraft. Lassen Sie „s Nehmen Sie an, Sie „treten“ 1/100 die Höhe der Treppe, um einen absteigenden Schritt einzuleiten, dann:

$ E _ {\ text {absteigend}} \ approx \ frac {1} {100 } mgh $

Aus der oben beschriebenen vereinfachten Mechanik ergibt sich eindeutig $ E _ {\ text {Climb}} > > E _ {\ text {desc}} $.

Natürlich sind andere Kräfte beteiligt. Sie werden Ihre Beinmuskeln verwenden, um einem Herunterfallen der Treppe zu widerstehen. Sie können jedoch sehen, dass Sie die gespeicherte potenzielle Energie Ihrer vertikalen Höhe nutzen, um abzusteigen.

Nettoenergie (strenger) Analyse)

Basierend auf dem obigen Absatz können wir sehen, dass wir Annahmen getroffen und nicht wirklich ein strenges Modell erstellt haben, um alle Faktoren zu berücksichtigen. Es war ein einfaches mentales Experiment, um schnell zu zeigen, dass wir wahrscheinlich auf dem richtigen Weg sind Richtige Denkweise. Daher wird eine bessere Analyse das gesamte System so betrachten, dass die Erhaltungsgesetze gelten.

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

Nettoenergie für den Aufstieg

Die folgende Nettoenergiegleichung des Systems zeigt besser, wie die menschliche Energie mit der Steigenergie zusammenhängt. Teilen wir das Modell in vier Teile: Nettoenergie ($ 0 $), potenzielle Energie ($ mgh $) , Energieabgabe des Menschen und jegliche Gravitationsenergie ($ E _ {\ te xt {extra}} $), mit dem wir uns helfen können.

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

Bei einem Aufstieg ist unser $ E_ { \ text {extra}} = 0 $, da wir keine Gravitationsenergie verwenden können, um uns zu helfen (dh nichts „drückt“ uns nach oben).

( 1) $ E _ {\ text {Mensch, Aufstieg}} = E _ {\ text {pe}} $

Nettoenergie für den Abstieg

Beim Abstieg können wir natürlich einen Teil der potenziellen Energie umwandeln, um für uns zu arbeiten. Wir können Gravitationsenergie verwenden, um uns zu helfen, wenn sie uns dahin zieht, wohin wir wollen.

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

Hier unser $ E_ {\ text {extra}} \ gt0 $ als Gravitationsenergie kann umgewandelt / genutzt werden, um uns beim Abstieg zu helfen.

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

Natürlich $ (2) \ lt (1) $, weil $ E _ {\ text {extra}} \ gt0 $.

Leistung gegen Energie

Über Geschwindigkeit zu sprechen, tut es mit Sicherheit Ändern Sie das Modell. In erster Linie bedeutet die Einführung der Rate , mit der Sie die Treppe hinunter- oder hinaufsteigen, dass wir jetzt von power sprechen, nämlich:

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

Wenn wir unsere Steigzeit halbieren, verdoppeln wir die erforderliche Leistung.

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

Dies ist der Grund, warum das Laufen die Treppe hinauf anstrengender ist als ein gemächlicher Spaziergang.

(Und interessanterweise ist die Kraft der Grund, warum Sie beim Versuch, zu nehmen, auf die Spritze gehen eine Abkürzung über wirklich hohe Treppen. Während $ \ Delta E $ konstant ist und $ \ Delta t $ gegen Null geht, werden Sie feststellen, dass Sie ernsthafte Probleme haben.)

Denken Sie an die Energie. Aufsteigende Treppen benötigen Energie von Ihnen, um sich nach oben zu drücken. Diese Energie wird in potentieller Energieform gespeichert. Im Falle eines Abstiegs geht es bei jedem Schritt darum, Ihre potenzielle Energie auf die Treppe (nicht zurück zu Ihrem Körper) zu übertragen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sie beim Aufstieg Energie (Kalorien aus der Nahrung) verlieren . Und Sie verlieren (fast) nichts, wenn Sie absteigen.

Kommentare

• Nein, die Energie geht beim Abstieg größtenteils auf Ihren Körper zurück – nur nicht in einer nützlichen Form (Sie ‚ werden nicht energischer, nur heißer!).
• @psmears: in welcher Form? es geht nicht zurück und wird als körperliche Energie (Kalorien) gespeichert. Ohne Berücksichtigung der Muskelreibung und anderer Verluste wird die Energie weitgehend auf die Erde übertragen (durch die auf Treppen ausgeübte Kraft).
• In Form von Wärme wird man (geringfügig) wärmer. Es gibt ‚ keine Energie, die über die auf die Treppe ausgeübte Kraft auf die Erde übertragen wird, da die Energieübertragung = (Kraft x Entfernung in Kraftrichtung) und die Treppe ‚ bewegt sich nicht wirklich.
• Treppe bewegt sich, nur ist sie aufgrund der gigantischen Größe der Erde im Vergleich zu unserem Körper vernachlässigbar. Wenn unsere Größe und Masse vergleichbar wären, wäre es beobachtbar, dass die Energieumwandlung von PE in Form von Arbeiten an sich bewegenden Erden, Schwingungswellenenergie bei Kontakt und Wärme aufgrund von Reibung beim Abwärtsbewegen erfolgen kann die Treppe, aber nicht zurück zum Körper.

Eine Kraft auszuüben und Ihre Muskeln zu belasten ist nicht das gleiche. Selbst wenn Sie sich vollständig entspannen, ist Arbeit erforderlich, um Ihre Hinken zu bewegen. Diese Arbeit erzeugt genau die Kraft, die Sie verlangsamt nach unten, wenn Sie die Treppe hinuntergehen.

Natürlich müssen Sie beim Abstieg immer noch Ihre Muskeln belasten, um Ihre Flugbahn und Geschwindigkeit zu kontrollieren. Aber wenn Sie nach oben gehen, funktioniert das muss zusätzlich zu der Arbeit erledigt werden, die erforderlich ist, um Ihr Gewicht zu heben.

Ich werde eine weitere Antwort geben , weil keine der vorhandenen Antworten die Energieeffizienz auf den Punkt zu bringen scheint.

Nehmen wir an, Ihre Muskeln sind zu 25% effizient. Dies scheint auf der großzügigen Seite zu liegen, da Radfahren und Rudern wahrscheinlich eine effizientere Nutzung Ihrer Muskeln sind als Gehen, bei dem Sie mehr Anstrengungen unternehmen müssen, um Ihre Muskeln zu erhalten Ausbalancieren und Schock absorbieren.

Wenn Sie also einen Hügel hinaufsteigen, verbrauchen Sie tatsächlich das Vierfache der Energie, die Sie mit Ihren Beinen klettern, als die tatsächliche Menge an potenzieller Energie, die Sie gewinnen. Drei Teile davon sind die 75% ige Ineffizienz, die Wärme in Ihrem Körper erzeugt, und der letzte Teil sind die 25%, die in die tatsächliche potentielle Energie fließen.

Lassen Sie uns nun überlegen, ob Sie nach unten gehen. Wenn Sie gehen rückwärts den Hügel hinunter benutzen Sie alle die gleichen Muskeln und Sie werden ungefähr die gleiche Bewegung machen. Ich ging auf und ab und in der Nähe eines steilen Hügels, um dies zu bestätigen. Wenn wir jetzt den Hügel hinuntergehen, wissen wir, dass Sie mindestens die Menge an potentieller Energie oben erzeugen müssen, um unten ohne Geschwindigkeitssteigerung aufzuwickeln. Aber das ist die ganze Energie, die Sie für einen einfachen Rückwärtsgang den Hügel hinunter erzeugen müssen! Ihre gesamte Muskelenergie dient speziell dazu, potenzielle Energie abzuleiten und in Wärme umzuwandeln.

Gehen Sie also nach oben Sie werden mindestens viermal so viel Energie aus den Vorräten Ihres Körpers entnehmen wie beim Gehen. Es kann mehr sein, weil es Möglichkeiten gibt, wie Sie die potenzielle Energie effizienter abführen können – es wird als weniger effizient im Umgang mit Ihren Muskeln bezeichnet! Wenn Ihre Muskeln nur 16% effizient sind (das untere Ende zitiert auf der verlinkten Seite) bergauf verbraucht 6,25-mal so viel Energie. Wenn Sie einen Teil des Weges bergab rutschen, wird noch weniger Energie verbraucht, da Sie die Energie als Wärme aus Reibung und nicht in Ihren Muskeln ableiten.

Kommentare

• Sie haben einen sehr großen Punkt in Bezug auf biologische Ineffizienz übersehen: Muskeln verbrennen Energie, selbst wenn keine physikalische Arbeit geleistet wird. Sie verbrennen Energie, selbst wenn negative Arbeit geleistet wird. Manchmal viel (versuchen Negative im Fitnessstudio machen!). Sie ‚ betrachten keine Proportionalität. Die Behauptung hier “ Sie werden mindestens viermal so viel Energie aus den ‚ -Speichern Ihres Körpers entnehmen wie beim Gehen.“ basiert auf einem Missverständnis. Das ‚ ist das Grundproblem bei dieser Frage: Sie können ‚ die Situation nicht verstehen, ohne mehr Biologie zu verstehen, als die meisten Physiker jemals lernen.
• @dmckee Ich bin anderer Meinung. Die angegebenen Wirkungsgrade wurden über den tatsächlichen Sauerstoffverbrauch gemessen. Dies würde nur während der eigentlichen Übung erfolgen. Ja, ein Teil dieser Ineffizienz ist auf den Grundstoffwechsel zurückzuführen, aber ‚ steht im Zusammenhang mit Anstrengung und nicht in Ruhe. Wir sind nicht ‚ besorgt über Energieflüsse außerhalb des Zeitfensters, in dem die eigentliche Arbeit ausgeführt wird.

Einfach. Es gibt eine konstante Kraft von 1 g, die dich nach unten zieht.

(Ja, es hängt von der Entfernung von der Erde usw. usw. ab, aber ein vereinfachtes Beispiel reicht für eine Erklärung aus.)

Also Wenn Sie mit einer halben Ag aufsteigen möchten, müssen Sie 1,5 g Kraft erzeugen, von denen 1 g nur dazu dient, die Schwerkraft aufzuheben.

Wenn Sie mit derselben Beschleunigung absteigen müssen (halbes Ag) Sie müssen nur ein halbes Ag Kraft erzeugen – um das halbe Ag der Schwerkraft aufzuheben.

Also 0,5 g zum Abstieg, 1,5 zum Aufsteigen.

Für andere gewünschte Beschleunigungen (z. B. 0,1 g, 0,05 g usw.) können Sie berechnen.

Kommentare

• Ich habe ‚ Ich glaube nicht, dass ‚ es ist, siehe Punkt A) in meiner Bearbeitung … Wenn ich g bei jedem Schritt überkompensieren würde (um einen winzigen Betrag), würde ich auf unbestimmte Zeit beschleunigen
• “ 1,5 g Kraft “ sollte wahrscheinlich nicht ‚ sein t auf physics.stackexchange geschrieben werden.
• -1 Das Absteigen von Treppen ist auch auf langen Strecken mit konstanter Geschwindigkeit (dh ohne Beschleunigung) einfacher als das Aufsteigen.
• g ist eine Beschleunigungseinheit, keine Kraft und definitiv keine Geschwindigkeit. Wenn Sie ‚ mit einer konstanten Geschwindigkeit fahren, haben Sie eine Beschleunigung von Null g. Am Anfang gibt es eine kleine Beschleunigung (aber nicht annähernd 0,5) und am Ende eine kleine Beschleunigung in die andere Richtung. Wenn Sie in Ruhe beginnen und in Ruhe enden, muss Ihre durchschnittliche Beschleunigung Null sein.
• Wenn ich eine Treppe hinauf oder hinunter gehe, dann ‚ Ich beschleunige oder bremse nicht wirklich – zumindest nicht viel. Wenn es die Beschleunigung wäre, die Erschöpfung verursacht, wäre es nicht anstrengender, 50 Stufen hochzugehen als nur eine.