Tuttavia, durante la discesa, devi esercitare una forza equivalente per impedirti di accelerare e colpire il suolo …

Assolutamente corretto.

Quindi il fatto che salire le scale è comunemente percepito come significativamente più faticoso che scendere le stesse scale puramente una cosa biomeccanica, ad es. avere articolazioni invece che muscoli assorbe / contrasta lenergia cinetica?

Giusto. Quando sali le scale, devi esercitare grandi forze dai tuoi grandi muscoli. Quando le gambe sollevano il busto, i muscoli forniscono forze sufficienti (con un costo energetico) per farlo.

Quando scendi le scale, non è il contrario di salire. Invece di usare i muscoli grandi per decelerare, la maggior parte delle persone prenderà una gamba raddrizzata e la pianterà sul gradino inferiore. La decelerazione è ottenuta dalla deformazione plastica delle articolazioni, dallo spostamento del fluido nel piede e dai materiali nelle scarpe e sul pavimento. Cè ancora una certa richiesta di energia sui muscoli per coordinare e muovere le gambe, ma è significativamente inferiore rispetto a se i muscoli facessero il lavoro di decelerazione.

Commenti

• la maggior parte della ” deformazione plastica ecc. ” utilizza lenergia dispersa recuperata dal potenziale. È luso esperto e direzionale dei muscoli per smettere di rotolare che richiede un nuovo apporto calorico, che non è molto.
• ” deformazione plastica nelle articolazioni ” Davvero? Sembra che sarebbe molto veloce danneggiare il corpo.
• @JMac, ” Plastica ” al contrario a ” elastico “. Lidea è che lenergia venga dissipata, quindi tutti i tendini o le strutture che agiscono come molle e restituiscono energia non sono ‘ di aiuto. Ma la cartilagine che si deforma sì. ‘ non intende implicare che si stia verificando un danno.
• Forse un ” esperimento mentale “, nota che anche un corpo umano morto o privo di sensi è ancora in grado di ruotare giù per le scale (e di fermarsi in fondo). Quindi, chiaramente, il lavoro muscolare attivo non è necessario per dissipare lenergia potenziale acquisita dalla discesa delle scale. (Per un esperimento più pratico, sostituisci un sacco di patate o qualsiasi altra cosa; quasi tutti i materiali non elastici avranno lo stesso comportamento qualitativo.)
• @DavidScarlett: assicurati che ‘ un passo molto piccolo, o solo un passo orizzontale. Temo che le persone potrebbero ferirsi atterrando con le articolazioni bloccate anche su un singolo gradino di una scala normale se cadono davvero (non usando la gamba posteriore per rallentarle prima dellimpatto)

devi esercitare una forza equivalente per impedirti di accelerare e colpire il suolo

Come animali, spendiamo calorie per aumentare e acquisire energia potenziale. La stanchezza è una misura delle calorie consumate. Idealmente andare giù non ha bisogno di calorie e non ci siamo evoluti al punto da riprenderle. Solo che sono necessarie poche calorie nellinterazione con le forze di attrito e una certa abilità per trasferire lenergia in eccesso ai passi.

Pensa allo sci. Per salire la collina a piedi ha bisogno di molte calorie, (che ci crediate o no nel 1958 mi hanno insegnato a salire con gli sci) per controllare la velocità scivolando giù un po e un po di abilità (ecco perché in quel corso, Stavo bene salendo, ma sono finito in uno splat in fondo alla collina, non avendo abilità). Lenergia è il ritorno delle calorie spese per aumentare (beh in parte, lattrito ne occupa una parte).

Modifica dopo la modifica della domanda:

Lunico motivo per cui ho introdotto la velocità nella domanda è stato per dimostrare che devi effettivamente spendere energia per scendere le scale

Sei ab initio assumendo che la velocità prenda energia dai muscoli. La velocità di discesa è sostenuta dalla diminuzione dellenergia potenziale in modo incrementale scendendo di un gradino. Ciò si trasforma in una velocità del tuo corpo, colpendo il passo una forza normale rimbalza indietro una palla, devi spendere un po di energia muscolare per non rimbalzare, ma in nessun modo uguale allenergia necessaria per portare il tuo peso su di un gradino.

Sono abbastanza convinto che lattrito non giochi un ruolo significativo in questo esperimento mentale.

Sbagliato. Lattrito gioca un ruolo molto significativo nel camminare, salire o scendere. Hai provato a camminare sul ghiaccio?

No, non sto sostenendo che la discesa sia soggettivamente meno faticosa, sto chiedendo perché è meno faticosa

È meno faticoso perché è necessaria meno energia dai muscoli del corpo, necessaria nel dirigere la via di discesa per controllare il rilascio di energia dallabbassamento incrementale dellenergia potenziale del corpo. Dirigere assorbe molta meno energia rispetto al sollevamento.

Non cè nessuna forza normale “libera” o “automatica” che emana dalle scale che ti impedisca di accelerare.

Hai pagato salendo le scale. La velocità incrementale di abbassare il corpo un passo alla volta colpisce il passo e dallimpatto si crea una forza normale, non dai muscoli. I muscoli devono controllarsi contro di essa in modo che tu non rimbalzi come una palla, ma questa è meno energia del potenziale passo, a causa dellattrito che ne occupa la maggior parte.

Inoltre, come molte persone hanno sottolineato, noi umani non abbiamo modo di utilizzare o riconvertire la nostra energia potenziale immagazzinata per decelerare noi stessi.

No , ma il nostro corpo è abbastanza intelligente quando si trova in una situazione di velocità da spendere un po di energia muscolare per dirigere dove va quella velocità. La velocità derivante dallaccelerazione di caduta di gradino in gradino si trasforma in attrito (niente pattini di scorrimento aiutano) e in un rimbalzo del corpo dovuto alla forza normale, il tutto consumato dallattrito e dalle radiazioni. Il nuovo input energetico è piccolo rispetto allenergia spesa per arrivare a un potenziale elevato. Guarda lesempio di sci sopra.

Dopo la terza modifica, ecco un semplice esempio:

1) Prendi una pallina mezza gonfia che rimbalzi alcune volte e si fermi su un pavimento piatto .

2) Sollevalo al piano di sopra, vicino al bordo. Energia potenziale acquisita.

3) Dagli una piccola spinta solo per cadere al passaggio successivo: un po di energia spesa.

Rimbalzerà giù per i gradini senza energia extra e, a seconda di quanto è sgonfio, può raggiungere il suolo o fermarsi nel mezzo perché la forza normale è maggiore del guadagno cinetico dallenergia potenziale dalla caduta di un gradino.

Commenti

• Penso che lesempio dello sci mostri esattamente perché devi frenare, altrimenti converti praticamente tutto il tuo potenziale in energia cinetica. La mia tesi è che la frenata richiede matematicamente esattamente la stessa quantità di energia.
• @Daniel e la mia argomentazione è che recuperi lenergia spesa e la usi per frenare, come faresti con le abilità sciistiche, spendendo solo un poca nuova energia ruotando la caviglia per scavare più a fondo e frenare la velocità. è lenergia originale spesa per raggiungere il potenziale più alto, data allattrito frenante,.
• un esempio più semplice: un secchio dacqua ha energia potenziale in cima alla collina, versala e spende il energia potenziale che scorre in discesa. Nel caso delle scale non rotoliamo giù, ma consumiamo lenergia potenziale in modo incrementale passo dopo passo con lattrito e la dispersione allindietro dei piedi sul gradino. Alcune calorie vengono spese per abbassare i muscoli, ma non tanto quanto per salire.
• @Daniel no, non ‘ t, ci pensa lattrito per te
• Non ‘ la maggior parte dellattrito quando si percorrono le scale sia su che giù (almeno lattrito tra i piedi e i gradini) sarebbe attrito statico , nel senso che trasferisce solo energia potenziale ed energia cinetica tra la terra e la persona, e non in calore? Daltra parte, non ho idea se ci sia attrito internamente alle gambe.

È biomeccanica.

Ebbene, è entropica.

Lenergia potenziale gravitazionale è davvero energia di alta qualità (bassa entropia). Convertirlo in un lavoro quasi arbitrario è davvero facile.

Quando scendiamo, convertiamo lenergia potenziale gravitazionale in calore immergendola con le nostre ossa elastiche e legamenti. Questa è una conversione facile, poiché stiamo passando da energia a bassa entropia a energia ad alta entropia.

Ora, un po di lavoro muscolare viene svolto oltre il semplice assorbimento degli shock; questo ci mantiene in equilibrio e in controllo mentre scendiamo.

Salendo, dal punto di vista energetico non cè nulla che ci impedisca di raffreddare i nostri muscoli, legamenti e ossa e di usarli per salire i gradini, generando energia potenziale gravitazionale . Ma ciò violerebbe le leggi della termodinamica, vale a dire convertire lenergia ad alta entropia in energia a bassa entropia.

Invece, siamo costretti a convertire la nostra energia chimica immagazzinata – ATP e altri – in energia cinetica, che poi trasformiamo in energia potenziale gravitazionale.

Le nostre riserve di energia ATP (e altre sostanze chimiche immagazzinate) sono esaurite e ci sentiamo stanchi.

Il modo biomeccanico di questo viene realizzato riguarda il modo in cui saliamo e scendiamo; probabilmente potresti creare una creatura che non è molto efficiente nella discesa e usa i muscoli per tutto il percorso.

Ci sono persone che scendono le scale scivolando giù da una ringhiera e bruciano energia solo per generare attrito contro la ringhiera. Questo è probabilmente il modo più efficiente per qualcuno di scendere le scale.

Fondamentalmente non si può salire con la stessa efficienza che si può scendere.

Lenergia non viene utilizzata , viene trasferito e convertito. Lenergia “disponibile” è energia a bassa entropia di alta qualità. Non “spendi” mai energia per qualcosa (oltre a creare massa a riposo se non parli di equivalenza massa-energia), invece converti energia a bassa entropia in una miscela di energia a bassa entropia di una forma diversa e entropia superiore -energia “perdita”.

• I tuoi muscoli esercitano più forza durante la salita che la discesa:

Quando scendono le scale devono esercitare una forza minore della gravità per controllare la tua velocità, mentre quando salgono le scale, la forza che esercitano deve essere almeno uguale al tuo peso, in modo che tu possa salire. Quindi i tuoi muscoli stanno facendo più lavoro in salita che in discesa, i movimenti sono tipicamente non simmetrici .

Quello “è particolarmente vero perché la forza frenante (per la” caduta “da un gradino allaltro, fornita dalla forza normale del gradino) non è una reazione da una forza esercitata dalla tua gamba muscoli – puoi colpire il cammina a gambe dritte e lascia che lenergia dellimpatto si dissipi passivamente attraverso il tuo corpo, spendendo pochissima energia nel processo, come ben spiegato in BowOfRed answer .

• Le perdite di energia naturali ti aiutano a mantenere una velocità confortevole scendendo le scale, mentre ” è una perdita che devi compensare quando sali di sopra.

• E, sì, ci sono anche certamente alcuni aspetti biomeccanici in gioco. ehm, ad esempio, quanto è più faticoso scendere al rallentatore: scendere le scale molto lentamente non è affatto più facile che salire le scale alla stessa velocità: aumenta la simmetria tra i due movimenti.

Commenti

• I commenti non sono per discussioni estese; questa conversazione è stata spostata nella chat .

Può darsi che ciò che ho da dire sia già stato detto implicitamente in altre risposte, ma sto pubblicando questa risposta perché non vedo una risposta che sia manifestamente simile a quella che ho in mente .

Salendo le scale, il sistema persona-terra guadagna energia potenziale. Questo incremento di energia potenziale deve provenire dallenergia biochimica della persona. Pertanto, mentre sale le scale, la persona deve lavorare almeno di la quantità di incremento nellenergia potenziale del sistema persona-terra.

Ora, mentre si scende le scale, il sistema persona-terra perde energia potenziale. Quindi, questa energia potenziale persa dovrebbe andare da qualche parte. il primo posto in cui andare è nellenergia cinetica macroscopica della persona.Fino a questo punto, è del tutto chiaro che la persona non spende un centesimo della sua energia biochimica. Tuttavia, richiediamo che la persona non acquisisca alcuna energia macroscopica. Quindi, dovremmo ridistribuire lenergia che viene rilasciata dal sistema persona-terra in alcune altre forme. Questa ridistribuzione viene eseguita dalle normali forze di reazione tra le gambe di la persona e le scale, ridistribuiscono lenergia nel movimento vibratorio dei gradini e in parte nel movimento vibratorio delle molecole delle gambe della persona, ecc. Ma questa è solo la ridistribuzione dellenergia. La persona non ha affatto bisogno di spendere la sua energia biochimica. In realtà, se la persona dovesse spendere un po di energia, ci sarebbe un ulteriore requisito per ridistribuire questa energia aggiuntiva spesa.

Ho ignorato le perdite di inefficienza ecc. che si può ragionevolmente presumere essere la stessa mentre si sale o si scende le scale.

La risposta è semplice:

-> La salita viene eseguita mediante lavoro muscolare .

-> La discesa è (principalmente) eseguita da ammortizzatore .

Spiegando:

Quando si sale, si piegano le ginocchia e quindi si deve usare una notevole quantità di forza (a seconda del proprio peso) per raddrizzare la gamba e sollevarsi al gradino successivo.

Scendere (ideale , caso semplificato), in primo luogo, si usa la gravità per raddrizzare la gamba e poi rilassa i muscoli dellaltra gamba e inizia a cadere.Prima che acquisisca una pericolosa velocità di caduta (a seconda dellaltezza dei gradini) la gamba dritta colpisce il gradino successivo e tutta lenergia viene dissipata dai sistemi di assorbimento degli urti del corpo.

In altre parole, la discesa è fatta di piccoli salti. Lo chiamo caso ideale, poiché questa configurazione comporta il minimo utilizzo della forza muscolare per scendere le scale. In realtà, tuttavia, si usa ancora un po di energia muscolare per raddrizzare la gamba, mantenerla rigida, ecc., Che è notevolmente inferiore allenergia necessaria per sollevarsi.

Il lavoro svolto è uguale alla forza esercitata moltiplicata per la distanza percorsa nella direzione della forza .

Hai ragione che (in prima approssimazione) le forze esercitate salendo e scendendo sono le stesse: in entrambi i casi (di nuovo, in prima approssimazione) si ha una corpo che si muove a velocità costante – sia verso lalto che verso il basso – soggetto alla gravità, quindi deve esserci una forza verso lalto corrispondente alla forza di gravità.

Il problema è che, durante la risalita, i muscoli (tendini, legamenti, ossa ecc. – lintera “macchina” del corpo) esercitano una forza verso il basso mentre si muovono verso lalto, quindi stanno perdendo / consumando energia ; quando si scende, la forza è ancora verso il basso, ma ora anche il movimento è verso il basso, quindi i muscoli (ecc.) stanno ricevendo / guadagnando energia.

Ora, come sai, i muscoli non possono lavorare al contrario: sono bravi a convertire lenergia chimica in energia meccanica , ma non puoi inserire energia meccanica e ritirare lenergia chimica. Ma questo non significa che non possano assorbire energia: possono, e lo fanno riscaldandosi.

È anche vero che i muscoli richiedono energia per funzionare, indipendentemente dal fatto che lo stiano facendo. lavoro utile o no. Ma non è vero che lenergia richiesta a un muscolo per esercitare una forza specifica è costante: molto approssimativamente, ci sarà un sovraccarico di energia “sprecata” $ W (F) t $ per una data forza in un dato tempo, più qualsiasi lavoro svolto dal muscolo attraverso il movimento $ F \ cdot x $ Se il muscolo non si muove (pensa a spingere contro un muro di mattoni), usi solo $ W (F) t $; se stai facendo un lavoro effettivo (quindi il muscolo si muove contraendosi) è “s $ W (F) t + F \ cdot x $. Lo spreco sarà probabilmente simile salendo e scendendo le scale, ma il lavoro svolto dai muscoli non lo farà.

Commenti

• Questa è la risposta giusta. OP viene confuso ignorando il segno dellenergia. Fondamentalmente OP sta dicendo ” su o giù: stessa forza, stessa distanza, quindi stesso lavoro “. Ma dovrebbe essere ” stessa forza, distanza opposta, quindi lavoro opposto “.
• Verissimo: quando si cammina al piano di sotto è necessario liberarsi di energia in eccesso ! (Oppure, nelle parole dellOP ‘, finirebbe come un punto umido in fondo.) Questa può essere una sfida significativa, ad esempio quando si correva lungo un ripido pendio. Alcuni sopravvissuti al disastro del Monte Everest del 1996 sono praticamente scivolati giù per i pendii fino al campo. Non avrebbero mai potuto salire allo stesso modo: erano troppo e x esaurito.

Per lesempio delle scale stavo pensando in termini di coppia.

Quando vuoi salire, posiziona la gamba piegata nel gradino superiore e poi prendi limpulso di sollevare laltra gamba fino a quel punto o anche al gradino successivo. Quando lo fai, devi compensare la coppia che la gravità sta producendo sul tuo ginocchio precedente.

Tuttavia, durante la discesa, la gravità aiuta quella coppia a raggiungere il gradino inferiore.

Non so se sia giusto, ma è quello che mi è venuto in mente.

Quando scendi, trasferire lenergia, non è necessario fornire (quasi) nulla. Quella poca energia che devi spendere è quella necessaria per gestire e controllare il trasferimento (e la discesa); il resto viene dal energia potenziale gravitazionale e sarà trasferita come energia meccanica e / o dissipata come calore. Il trasferimento meccanico nelle articolazioni e nei muscoli può portare a traumi che possono essere percepiti come parenti a stanchezza o affaticamento.

You potrebbe in teoria recuperare energia durante la discesa, ma in realtà non lo fai. Il meglio che puoi fare è riciclare un po di energia elastica da un passo per spingere il passo successivo (ci sono diverse tecniche di discesa che insegnano come muoverti per farlo nel modo più aggraziato, sicuro, veloce o economico possibile. estendersi con la parte superiore della gamba – questultima contro la gravità – è più costoso che assorbire lurto con il piede e la parte inferiore della gamba e scivolare giù da un gradino allaltro).

Molta energia viene dissipata nelle suole delle scarpe (prova a scendere una lunga scala con doghe di legno invece delle scarpe da corsa, con i muscoli delle gambe che devono riprendere lallentamento), in qualunque cosa copra il gradini stessi, nei gradini stessi se sono sufficientemente elastici, ecc.

Quindi, anche se puoi scendere in modo efficiente o meno efficiente e anche stancarti e / o soffrire di dolore, lenergia che spendere in calo non è che una frazione di quello che ti serve per salire, quando devi fornire energia potenziale gravitazionale dalle tue riserve chimiche.

Se fossi un corpo perfettamente rigido su scale perfettamente rigide, con uno smorzatore a pistone in entrambe le ginocchia, spenderesti pochissima energia per scivolare in avanti e cadere sul passaggio successivo, e poi ci cadrai, gli smorzatori assorbiranno lo shock e lo dissiperanno sotto forma di calore.

Commenti

• Lenergia non viene creata o distrutto Tutto il consumo di energia lo è trasferimento.

Penso che la domanda possa essere semplificata chiedendo considerando la differenza tra lalto e il basso parte quando fa gli squat .

Consideriamo prima un modello molto semplice: una molla verticale che pende dal soffitto e una massa da cui pende la molla che tira la molla verso il basso. Quando la massa scende, lenergia potenziale sulla molla aumenta. Quando la massa sale, lenergia potenziale sulla molla diminuisce. Anche se in entrambi i casi la molla esercita le stesse forze. La forza non funziona. Il prodotto scalare di forza e spostamento è il lavoro.

In altre parole: Quando una molla (o un muscolo) esercita una forza, non significa necessariamente che funzioni. Funziona su un oggetto esterno solo se la forza muove qualcosa .

Ora torna a un muscolo reale. Come la molla nel nostro esempio, un muscolo umano funziona quando si accorcia e il lavoro è positivo perché la forza esercitata dal muscolo è nella direzione dello spostamento.

Le gambe sono cablate in modo tale che quando esegui gli squat verso lalto, puoi accorciare alcuni muscoli e raddrizzare le gambe. Quindi, come ho spiegato, quando si sale verso lalto, i muscoli svolgono un lavoro meccanico .

Quando si scende, la forza è nella stessa direzione ma lo spostamento è opposto. Pertanto, quando si va verso il basso, la meccanica Il lavoro fisico viene svolto sui muscoli. Potrebbe essere difficile da capire, ma ora arriva la parte biomedica: a differenza della molla, il muscolo umano non può immagazzinare lenergia che guadagna modo e lenergia si trasforma in calore. Inoltre, a causa del modo in cui funzionano effettivamente le cellule del muscolo, i muscoli tesi devono generare calore anche quando sono statici o si allungano . Ecco perché andare verso il basso richiede energia.

Puoi provarlo a casa. (Potrebbe essere più facile osservare se usi un enorme peso extra a cui non sei abituato, ma non lo consiglio questo per ragioni mediche.) Se esegui squat molto lentamente, lenergia necessaria per generare calore perché ragioni biomeccaniche domina, e scendere sembra difficile quasi quanto salire. Se esegui squat molto velocemente, lenergia necessaria per generare lavoro meccanico domina e andare giù sembra molto più facile.

Commenti

• Il downvoter potrebbe spiegare il motivo?
• Come qualcuno che si accovaccia , Penso che questa sia la migliore risposta alla domanda, ma a causa della natura biologica del problema, Physics Stack Exchange potrebbe non essere stato il luogo migliore per la domanda.

Sono state apportate modifiche significative al tuo post, quindi devo apportare modifiche significative per risolverle perché la domanda è interessante.

Andiamo al cuore della tua domanda.

Per andare dal punto A, in fondo alle scale, al punto B, in cima alle scale, dobbiamo esercitare $ mg \ Delta h = mg (B-A) $ energia per farlo. Nellarrampicata convertiremo lenergia chimica del corpo / muscoli per farlo. Per scendere, come hai notato, non è possibile scendere le scale senza dissipando $ mg (BA) $ energia. È fisicamente impossibile tradurre una certa altezza senza scaricare almeno $ mg \ Delta h $ in energia. La domanda è: quanto $ mg (BA) $ deve fornire il mio corpo sotto forma di energia chimica?

Supponiamo che prenda una fune e una carrucola con un freno per limitare la mia velocità di discesa. Lattrito tra il freno dissiperà almeno $ mg \ Delta h = mg (BA) $ di energia.Trasformare lattrito meccanico in calore.

Supponi di saltare (da un dirupo di uguale altezza). Quindi il tuo corpo assorbirà $ mgh $ e probabilmente romperai le cose o morirai.

Nei due esempi precedenti, la tua produzione di energia era trascurabile. La chiave qui è qualcosaltro ha dissipato lenergia ed era necessario per almeno $ mgh $ da dissipare anche in discesa dove “la gravità lavora a tuo favore”. La cosa che sto cercando di illustrare è che puoi scendere senza esercitare gran parte della tua energia. Allora come può accadere senza una puleggia o senza salti?

Lenergia che vuoi dissipare verrà dissipata in ogni fase utilizzando la meccanica del tuo corpo tessuti. Una parte della forza normale esercitata dalla scala su articolazioni, ossa, muscoli, tendini, ecc … comprimerà e rimbalzerà dissipando lenergia sotto forma di calore. Che il tuo corpo quindi si irradierà via. Se pensi che questo non sia significativo, lascia cadere un mattone o un pezzo di legno e guarda per quanto tempo rimbalza. Se non “t continua a rimbalzare per sempre, significa che lenergia viene dissipata dal materiale stesso, tramite compressione e rimbalzo. Questa energia viene dissipata dalle forze intermolecolari e atomiche.

Analisi originale (pre modifiche)

Energia (analisi non rigorosa)

Arrampicata

Per salire le scale, è necessario fornire il 100% dellenergia fornita per salire verticalmente dal tuo corpo.

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

Decrescente

Per scendere scale, devi solo fornire una piccola salita verticale (per liberare il tuo piede dallattrito) e poi una piccola quantità di energia per ruotare la gamba in avanti. La gravità prende il sopravvento da lì. Let “s supponi che tu “passi” 1/100 laltezza delle scale per iniziare un gradino discendente, quindi:

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

Chiaramente, dalla meccanica semplificata descritta sopra $ E _ {\ text {climb}} > > E _ {\ text {descend}} $.

Naturalmente, sono coinvolte altre forze. Userai i muscoli delle gambe per resistere alla caduta dalle scale, tuttavia, puoi vedere che stai sfruttando lenergia potenziale accumulata della tua altezza verticale per scendere.

Energia netta (più rigorosa Analisi)

In base al paragrafo precedente possiamo vedere che “abbiamo fatto delle supposizioni e non abbiamo creato un modello rigoroso per tenere conto di tutti i fattori. È stato un semplice esperimento mentale per dimostrare rapidamente che probabilmente siamo linea di pensiero corretta. Pertanto, unanalisi migliore esaminerà lintero sistema in modo tale che valgono le leggi di conservazione.

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

Energia netta per salita

La seguente equazione dellenergia netta del sistema mostrerà meglio in che modo lenergia umana è correlata allenergia in salita. Rompiamo il modello in quattro parti: energia netta ($ 0 $), energia potenziale ($ mgh $) , produzione di energia umana e qualsiasi energia gravitazionale ($ E _ {\ te xt {extra}} $) che possiamo usare per aiutarci.

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

In una salita, il nostro $ E_ { \ text {extra}} = 0 $ poiché non possiamo usare lenergia gravitazionale per aiutarci (cioè, niente “ci spinge” in alto).

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

Energia netta per la discesa

Chiaramente, in discesa, possiamo convertire parte dellenergia potenziale per lavorare per noi. Possiamo usare lenergia gravitazionale per aiutarci poiché ci porta dove vogliamo andare.

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

Qui, il nostro $ E_ {\ text {extra}} \ gt0 $ poiché una certa energia gravitazionale può essere convertita / imbrigliata per aiutarci a scendere.

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

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

Potenza contro energia

Parlare di velocità fa certamente cambia il modello. In primo luogo, introdurre la velocità con cui scendi o sali le scale significa che ora stiamo parlando di potenza che è:

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

Se dimezziamo il nostro tempo di salita, raddoppiamo la potenza richiesta.

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

Questo è il motivo per cui correre su per le scale sarà più faticoso di una piacevole passeggiata.

(E, cosa interessante, il potere è il motivo per cui andrai a schiantarti se provi a prendere una scorciatoia per scale molto alte. Mentre $ \ Delta E $ è costante, man mano che $ \ Delta t $ si avvicina a zero, scoprirai di avere seri problemi.)

Pensa allenergia, salire le scale richiede energia da te per spingersi in alto. questa energia è immagazzinata sotto forma di energia potenziale. Tuttavia, in caso di discesa, ogni passo che hai fatto riguarda il trasferimento della tua energia potenziale alla scala (non di nuovo al tuo corpo).

In sintesi, perdi energia (calorie dal cibo) quando sali . E non perdi (quasi) nulla quando scendi.

Commenti

• No, lenergia in gran parte ritorna al tuo corpo quando scendi – solo non in una forma utile (non ‘ diventi più energico, solo più caldo!).
• @psmears: in quale forma? non torna indietro e viene immagazzinata come energia corporea (calorie). trascurando lattrito muscolare e altre perdite, lenergia si trasferisce in gran parte alla terra (attraverso la forza esercitata sulle scale).
• Sotto forma di calore – diventi (marginalmente) più caldo. ‘ non è realmente alcuna energia trasferita alla Terra tramite la forza esercitata sulle scale, perché il trasferimento di energia = (forza x distanza spostata nella direzione della forza) e le scale non ‘ t muoverti davvero.
• La scala si muove, solo che è trascurabile a causa delle dimensioni gigantesche della terra rispetto al nostro corpo. se le nostre dimensioni e massa fossero comparabili, sarebbe osservabile
• la trasformazione dellenergia da PE può essere sotto forma di lavoro svolto su terra in movimento, energia delle onde di vibrazione quando entrano in contatto, calore dovuto allattrito mentre ci spostiamo verso il basso la scala, ma non tornare al corpo.

Esercitare una forza e sforzare i muscoli è non è la stessa cosa. Anche se ti rilassi completamente, sarà necessario del lavoro per spostare i tuoi zoppichi. Questo lavoro è esattamente ciò che crea la forza che ti rallenta quando scendi le scale.

Ovviamente, devi comunque sforzare i muscoli quando scendi, per controllare la traiettoria e la velocità. Ma quando stai salendo, quel lavoro deve essere svolto in aggiunta al lavoro richiesto per sollevare il peso.

Fornirò unaltra risposta , perché nessuna delle risposte esistenti sembra riguardare sinteticamente lefficienza energetica.

Supponiamo che i tuoi muscoli siano efficienti al 25%. Questo sembra essere un lato generoso poiché il ciclismo e il canottaggio sono probabilmente usi più efficienti dei tuoi muscoli rispetto al camminare, dove devi esercitare uno sforzo maggiore per trattenere il tuo bilanciare e assorbire gli urti.

Quindi, salendo una collina, in realtà spenderai 4 volte lenergia salendo con le gambe come la quantità effettiva di energia potenziale che guadagni. Tre parti di questo è nellinefficienza del 75%, che genera calore nel tuo corpo, e lultima parte è il 25% che va in energia potenziale effettiva.

Ora consideriamo di scendere. Se cammini allindietro giù per la collina stai usando tutti gli stessi muscoli e farai più o meno lo stesso movimento. Ho camminato su e giù e la vicina collina ripida come questa per confermarlo. Ora scendendo dalla collina sappiamo che devi generare almeno la quantità di energia potenziale in alto per arrivare in fondo senza aumentare la velocità. Ma questa è tutta lenergia che devi generare per una semplice camminata allindietro giù per la collina! Tutta la tua energia muscolare ha lo scopo specifico di scaricare lenergia potenziale e convertirla in calore.

Quindi salire è prenderà almeno 4 volte più energia dalle scorte del tuo corpo rispetto a quando cammini. Potrebbe essere di più, perché ci sono modi in cui puoi dissipare lenergia potenziale in modo più efficiente – si chiama essere meno efficiente nellusare i muscoli! Se i tuoi muscoli sono efficienti solo al 16% (la fascia bassa cita nella pagina collegata) in salita richiederà 6,25 volte più energia. Se scivoli per una parte lungo la collina, ci vorrà ancora meno energia poiché stai dissipando lenergia sotto forma di calore dallattrito e non nei muscoli.

Commenti

• Ti sei perso un punto molto importante sullinefficienza biologica: i muscoli bruciano energia anche quando non viene svolto alcun lavoro di fisica. Bruciano energia anche quando viene svolto un lavoro negativo. A volte molto (provando facendo negativi in palestra!). ‘ non stai osservando la proporzionalità. Laffermazione qui ” quindi è prenderà almeno 4 volte più energia dal tuo corpo ‘ rispetto a quando cammini.” si basa su un malinteso. Questo ‘ è il problema di base con questa domanda: non puoi ‘ capire la situazione senza capire più biologia di quanto la maggior parte dei fisici abbia mai imparato.
• @dmckee Non sono daccordo. I numeri di efficienza citati sono stati misurati tramite il consumo effettivo di ossigeno. Questo sarebbe stato fatto solo durante lesercizio effettivo. Sì, una parte di questa inefficienza è dovuta al metabolismo di base, ma ‘ è nel contesto dello sforzo, non a riposo. Non siamo ‘ preoccupati per i flussi di energia al di fuori della finestra temporale in cui viene svolto il lavoro effettivo.

Semplice. Cè “una forza costante di 1 g che ti trascina verso il basso.

(sì, dipende dalla distanza dalla Terra ecc. Ecc … ma un esempio semplificato è sufficiente per una spiegazione)

Quindi se vuoi salire a, diciamo mezza ag, devi produrre 1,5 g di forza, 1 g della quale va solo per annullare la forza di gravità.

Se devi scendere con la stessa accelerazione (metà ag) è necessario produrre solo metà ag di forza – per annullare metà ag di gravità.

Quindi, 0,5 g per scendere, 1,5 per salire.

Per altri desiderati accelerazioni (diciamo 0,1 g, 0,05 g ecc.) puoi fare i conti.

Commenti

• Non ‘ Non penso che ‘ sia così, vedi il punto A) nella mia modifica … se continuassi a compensare g (di qualunque piccola quantità) ogni passo, accelererei indefinitamente .
• ” 1,5 g di forza ” probabilmente non dovrebbe ‘ essere scritto su physics.stackexchange.
• -1 Scendere le scale è più facile che salire anche durante una lunga distanza con velocità costante (cioè senza accelerazione).
• g è ununità di accelerazione, non forza e sicuramente non velocità. Se ‘ viaggi a velocità costante, allora hai unaccelerazione di zero g. Allinizio ci sarà una piccola accelerazione (ma per niente vicino a 0,5) e alla fine una piccola accelerazione nellaltra direzione. Se inizi a riposo e finisci a riposo, la tua accelerazione media deve essere zero.
• Se salgo o scendo una rampa di scale, la maggior parte delle volte ‘ in realtà non sto accelerando o decelerando – almeno, non di molto. Se fosse laccelerazione a provocare lesaurimento, non sarebbe più faticoso salire 50 rampe di gradini che salirne solo una.