Jednak podczas zjeżdżania musisz użyć równoważnej siły, aby powstrzymać się przed przyspieszeniem i uderzeniem o ziemię …

Jak najbardziej poprawne.

Zatem fakt, że wchodzenie po schodach jest powszechnie postrzegane jako znacznie bardziej męczące niż schodzenie po tych samych schodach czysto biomechanicznych, np. posiadanie stawów zamiast mięśni pochłaniających / przeciwdziałających energii kinetycznej?

Racja. Wchodząc po schodach musisz wywierać duże siły dużymi mięśniami. Kiedy nogi unoszą tułów, mięśnie dostarczają wystarczających sił (kosztem energii), aby to zrobić.

Kiedy schodzisz po schodach, nie jest to odwrotność wchodzenia. Zamiast używać dużych mięśni do zwalniania, większość ludzi weźmie wyprostowaną nogę i posadzi ją na niższym stopniu. Spowolnienie następuje poprzez odkształcenie plastyczne stawów, przemieszczenie płynu w stopie oraz materiały w butach i podłodze. Nadal istnieje pewne zapotrzebowanie na energię potrzebną do koordynacji i poruszania nogami, ale jest to znacznie mniejsze niż w przypadku, gdy mięśnie wykonywały pracę zwalniającą.

Komentarze

• większość ” odkształceń plastycznych itp. ” wykorzystuje energię rozproszoną z odzyskanego potencjału. To umiejętne, ukierunkowane użycie mięśni w celu zatrzymania toczenia wymaga nowego wkładu kalorii, który nie jest zbyt duży.
• ” odkształcenie plastyczne stawów ” Naprawdę? Wygląda na to, że uszkodzenie ciała byłoby naprawdę szybkie.
• @JMac, ” Plastik ” w przeciwieństwie na ” elastyczne „. Chodzi o to, że energia jest rozpraszana, więc wszelkie ścięgna lub struktury, które działają jak sprężyny i energia zwrotna, ' nie pomagają. Ale chrząstka, która się deformuje, tak. ' nie ma sugerować, że wystąpiły uszkodzenia.
• Jako przykładowy przykład ” eksperyment myślowy „, zwróć uwagę, że nawet martwe lub nieprzytomne ciało ludzkie jest nadal w stanie spaść ze schodów (i spocząć na dole). Zatem oczywiście aktywna praca mięśni nie jest potrzebna, aby rozproszyć potencjalną energię uzyskaną podczas schodzenia po schodach. (Aby uzyskać bardziej praktyczny eksperyment, zastąp worek ziemniaków lub cokolwiek innego; prawie każdy nieelastyczny materiał będzie miał takie same właściwości jakościowe).
• @DavidScarlett: Upewnij się, że ' to bardzo mały krok lub po prostu poziomy krok marszu. Obawiam się, że ludzie mogą zranić się podczas lądowania ze stawami zablokowanymi nawet na jednym stopniu normalnej klatki schodowej, jeśli naprawdę upadną (nie używają tylnej nogi do spowolnienia ich przed uderzeniem).

musisz użyć równoważnej siły, aby powstrzymać się przed przyspieszaniem i uderzeniem o ziemię

Jako zwierzęta, wydajemy kalorie, aby rosnąć i zyskiwać potencjalną energię. Zmęczenie jest miarą spalonych kalorii. Idealnie byłoby, gdyby zejście nie wymagało kalorii, a my nie rozwinęliśmy się na tyle, by je odzyskać. Oprócz tego, że w interakcji z siłami tarcia potrzeba kilku kalorii i umiejętności przenoszenia nadmiaru energii na kroki.

Pomyśl o jeździe na nartach. Aby wejść na wzgórze pieszo potrzeba dużo kalorii (wierzcie lub nie w 1958 roku nauczyłem się chodzić na nartach), aby kontrolować prędkość zjeżdżania w dół kilka i trochę umiejętności (dlatego na tym kursie, Wspinałem się dobrze, ale skończyło się na klapie na dole wzgórza, nie mając żadnych umiejętności). Energia to zwrot spalonych kalorii (no cóż, częściowo, część pochłania tarcie).

Edytuj po edycji pytania:

Jedynym powodem, dla którego wprowadziłem prędkość do pytania, było pokazanie, że faktycznie musisz zużywać energię schodząc po schodach

Masz initio zakładając, że prędkość pobiera energię z twoich mięśni. Zmniejszająca się prędkość jest podtrzymywana przez stopniowe zmniejszanie się energii potencjalnej poprzez stopniowe zmniejszanie się. To zmienia się w prędkość twojego ciała, uderzenie o krok z normalną siłą odbija piłkę z powrotem, musisz wydać trochę energii mięśniowej, aby się nie odbić, ale w żaden sposób nie równa się energii potrzebnej do podniesienia ciężaru o jeden stopień.

Jestem całkiem pewien, że tarcie nie odgrywa znaczącej roli w tym eksperymencie myślowym.

Źle. Tarcie odgrywa bardzo ważną rolę podczas chodzenia, wspinania się i schodzenia. Czy próbowałeś chodzić po lodzie?

Nie, nie twierdzę, że zstępowanie jest subiektywnie mniej wyczerpujące, pytam, dlaczego jest mniej wyczerpujące

Jest to mniej męczące, ponieważ z mięśni ciała potrzeba mniej energii, potrzebnej do kierowania drogą schodzenia w celu kontrolowania uwalniania energii ze stopniowego obniżania potencjalnej energii ciała. Kierowanie jest znacznie mniej pochłaniające energię niż podnoszenie.

Nie ma „swobodnej” lub „automatycznej” normalnej siły pochodzącej ze schodów, która uniemożliwia przyspieszenie.

Zapłaciłeś za to, wchodząc po schodach. Przyrostowa prędkość opuszczania ciała krok po kroku uderza w stopień i normalna siła jest wytwarzana z uderzenia, a nie z mięśni. Mięśnie muszą się z nią bronić, aby nie odbijać się jak piłka, ale jest to mniej energii niż potencjalny krok, ponieważ większość zajmuje tarcie.

Ponadto, jak zauważyło kilka osób, my, ludzie, nie mamy możliwości wykorzystania lub ponownego przetworzenia naszej zmagazynowanej energii potencjalnej, aby się spowolnić.

Nie , ale nasze ciało jest wystarczająco inteligentne w sytuacji związanej z prędkością, aby wydać trochę energii mięśniowej, aby skierować tę prędkość. Prędkość pochodząca z przyspieszenia spadania z kroku na krok jest przekształcana w tarcie (brak pomocy ślizgaczy) i odbijanie się ciała z powodu siły normalnej, wszystko pochłaniane przez tarcie i promieniowanie. Nowy wkład energii jest niewielki w stosunku do energii wydanej w celu uzyskania wysokiego potencjału. Zobacz przykład nart powyżej.

Po trzeciej edycji, oto prosty przykład:

1) Weź do połowy napompowaną piłkę, która odbije się kilka razy i zatrzyma się na płaskiej podłodze .

2) Podnieś go na górę, obok krawędzi. Nabyta energia potencjalna.

3) Daj mu mały impuls, aby przejść do następnego kroku: odrobina wydatkowanej energii.

Odbije się po schodach bez dodatkowej energii i, w zależności od tego, jak jest opróżniona, może dotknąć ziemi lub zatrzymać się w międzyczasie, ponieważ siła normalna jest większa niż zysk kinetyczny z energii potencjalnej przy upadku o jeden stopień.

Komentarze

• Myślę, że przykład jazdy na nartach pokazuje dokładnie, dlaczego musisz hamować – w przeciwnym razie cały swój potencjał zamieniasz na energię kinetyczną. Mój argument jest taki, że hamowanie wymaga matematycznie dokładnie takiej samej ilości energii.
• @Daniel, a mój argument jest taki, że odzyskujesz zużytą energię i używasz jej do hamowania, tak jak w przypadku umiejętności narciarskich, po prostu wydając trochę nowej energii, obracając kostkę, aby wbić się głębiej i zahamować prędkość. jest to pierwotna energia wydana na osiągnięcie wyższego potencjału, nadana tarciu przy hamowaniu.
• prostszy przykład: wiadro wody ma energię potencjalną na szczycie wzgórza, wlewa ją i zużywa potencjalna energia płynąca w dół zbocza. W przypadku schodów nie staczamy się w dół, ale wykorzystujemy energię potencjalną stopniowo, krok po kroku, z tarciem i cofaniem się stóp na stopniu. Niektóre kalorie są zużywane w mięśniach, które się zmniejszają, ale nie tak dużo, jak na podnoszenie się.
• @Daniel nie, to nie ', tarcie załatwi sprawę to dla ciebie
• Czy nie ' t większość tarcia podczas chodzenia po schodach w górę iw dół (przynajmniej tarcie między stopami a stopniami) nie będzie tarcie statyczne , co oznacza, że przenosi tylko energię potencjalną i kinetyczną między ziemią a człowiekiem, a nie w ciepło? Z drugiej strony nie mam pojęcia, czy w nogach występuje tarcie.

To jest biomechaniczna.

Cóż, jest entropiczna.

Grawitacyjna energia potencjalna jest energią naprawdę wysokiej jakości (o niskiej entropii). Zamiana tego na wykonywanie niemal dowolnej pracy jest naprawdę łatwa.

Kiedy schodzimy, zamieniamy tę grawitacyjną energię potencjalną na ciepło, mocząc ją naszymi elastycznymi kośćmi i więzadłami. Jest to łatwa konwersja, ponieważ przechodzimy od energii o niskiej entropii do energii o wysokiej entropii.

Część pracy mięśni wykracza poza zwykłe absorbowanie wstrząsów; to utrzymuje nas w równowadze i kontroli podczas schodzenia.

Wchodząc w górę, pod względem energetycznym, nic nie stoi na przeszkodzie, abyśmy schłodzili nasze mięśnie, więzadła i kości oraz użyli ich do skakania po schodach, generując potencjalną energię grawitacyjną . Ale to naruszyłoby prawa termodynamiki, a mianowicie przekształcanie energii o wysokiej entropii w energię o niskiej entropii.

Zamiast tego jesteśmy zmuszeni przekształcić naszą zmagazynowaną energię chemiczną – ATP i inne – w energię kinetyczną, którą następnie zamieniamy w grawitacyjną energię potencjalną.

Nasze rezerwy energii ATP (i innych zmagazynowanych chemikaliów) są wyczerpane i czujemy się zmęczeni.

Biomechaniczny sposób, w jaki jest to realizowane, obejmuje sposób, w jaki wspinamy się i schodzimy; prawdopodobnie możesz stworzyć stworzenie, które nie jest zbyt wydajne w schodzeniu i wykorzystuje mięśnie przez całą drogę.

Są ludzie, którzy schodzą „w dół”, zjeżdżając z poręczy i spalają energię tylko w celu wytworzenia tarcia poręczy. Jest to prawdopodobnie najbardziej efektywny sposób schodzenia po schodach.

Zasadniczo nie można wchodzić tak wydajnie, jak można zejść.

Energia nie jest używana jest przesyłany i konwertowany. „Dostępna” energia to wysokiej jakości energia o niskiej entropii. Nigdy nie „wydajesz” energii na coś (poza tworzeniem masy spoczynkowej, jeśli nie mówisz o równoważności masy i energii), zamiast tego zamieniasz energię o niskiej entropii w mieszaninę energii o niskiej entropii o innej postaci i wyższej entropii -energii „utrata”.

• Twoje mięśnie wywierają większą siłę podczas wchodzenia niż zejścia:

Schodząc po schodach muszą wywierać siłę mniejszą niż grawitacja, aby kontrolować twoją prędkość, podczas gdy wchodząc na górę, siła, którą wywierają, musi wynosić co najmniej równy twojej wadze, abyś mógł się wznieść. Więc twoje mięśnie wykonują więcej pracy wznoszącej się niż opadającej, ruchy są zazwyczaj nie symetryczne .

To „jest szczególnie prawdziwe, ponieważ siła hamowania (dla” upadku „z kroku na krok, zapewniana przez krok” s normalna siła ) nie jest reakcja na siłę wywieraną przez twoją nogę mięśnie – możesz uderzyć stań z wyprostowanymi nogami i pozwól energii uderzenia rozproszyć się biernie przez twoje ciało, zużywając bardzo mało energii w tym procesie, co jest dobrze wyjaśnione w odpowiedzi BowOfRed .

• Naturalne straty energii pomagają utrzymać wygodną prędkość schodząc po schodach, podczas gdy to „ to strata, którą musisz zrekompensować wchodząc na górę.

• I tak, z pewnością są też pewne aspekty biomechaniczne. eee, np. o ile bardziej męczące jest schodzenie w zwolnionym tempie: zejście po schodach bardzo powoli nie jest wcale łatwiejsze niż wchodzenie po schodach z tą samą prędkością – zwiększa symetrię między oboma ruchami.

Komentarze

• Komentarze nie są przeznaczone do rozszerzonej dyskusji; ta rozmowa została przeniesiona do czatu .

Odpowiedź brzmi proste:

-> Wchodzenie w górę odbywa się przez pracę mięśni .

-> Zejście jest (głównie) wykonywane przez amortyzujące wstrząsy .

Wyjaśnienie:

Wchodząc w górę, zgina się kolana, a następnie musi użyć znacznej siły (w zależności od wagi), aby wyprostować nogę i podnieść się do następnego stopnia.

Zejście (idealne , przypadek uproszczony), najpierw wykorzystuje się grawitację, aby wyprostować nogę, a następnie rozluźnia mięśnie drugiej nogi i zaczyna spadać.Zanim osiągnie niebezpieczną prędkość spadania (w zależności od wysokości schodów), prosta noga uderza w następny stopień, a cała energia zostaje rozproszona przez systemy amortyzujące twoje ciało.

Innymi słowy, schodzenie w dół składa się z małych skoków. Nazywam to przypadkiem idealnym, ponieważ taka konfiguracja powoduje najmniejsze wykorzystanie siły mięśni do zejścia po schodach. W rzeczywistości jednak nadal zużywa się trochę energii mięśniowej, aby wyprostować nogę, utrzymując ją sztywną itp., Co jest znacznie mniejsze niż energia potrzebna do podniesienia się.

Wykonana praca to iloczyn wywieranej siły pomnożonej przez pokonaną odległość w kierunku działania siły .

Masz rację, że (do pierwszego przybliżenia) siły wywierane podczas poruszania się w górę iw dół są takie same: w obu przypadkach (ponownie do pierwszego przybliżenia) masz ciało porusza się ze stałą prędkością – w górę lub w dół – podlega grawitacji, więc musi istnieć siła skierowana w górę odpowiadająca sile grawitacji.

Problem polega na tym, że podczas wynurzania mięśnie (ścięgna, więzadła, kości itp. – cała „maszyna” ciała) wywierają siłę skierowaną w dół, poruszając się w górę, więc tracą / wydatkują energię ; podczas opadania siła jest nadal w dół, ale teraz ruch jest również w dół, więc mięśnie (itp.) odbierają / zyskują energię.

Teraz, jak wiesz, mięśnie nie mogą pracować w odwrotnej kolejności: są dobre w przekształcaniu energii chemicznej w energię mechaniczną , ale nie można włożyć energii mechanicznej i odzyskać energii chemicznej. Ale to nie znaczy, że nie mogą pobierać energii: mogą i robią to poprzez rozgrzanie.

Prawdą jest również, że mięśnie potrzebują energii do działania, niezależnie od tego, czy robią jakąkolwiek użyteczna praca, czy nie. Ale nie jest prawdą, że energia potrzebna do wywarcia określonej siły przez mięsień jest stała: bardzo ogólnie rzecz biorąc, będzie narzut „zmarnowanej” energii $ W (F) t $ dla danej siły w danym czasie, plus każda praca wykonana przez mięsień poprzez ruch $ F \ cdot x $. Jeśli mięsień się nie porusza (pomyśl o naciskaniu na ceglaną ścianę), używasz tylko $ W (F) t $; jeśli wykonujesz rzeczywistą pracę (więc mięsień porusza się poprzez skurcz) to $ W (F) t + F \ cdot x $. Straty będą prawdopodobnie podobne podczas wchodzenia i schodzenia po schodach, ale praca wykonywana przez mięśnie nie.

Komentarze

• To jest właściwa odpowiedź. OP jest zdezorientowany ignorowaniem znaku energii. Zasadniczo OP mówi ” w górę lub w dół: ta sama siła, ta sama odległość, taka sama praca „. Ale powinno być ” ta sama siła, przeciwna odległość, więc przeciwna praca „.
• Bardzo prawdziwe: idąc na dół należy pozbyć się nadmiaru energii ! (Lub można by, w słowach OP ', skończyć jako mokre miejsce na dole.) To może być znaczące wyzwanie, na przykład podczas zjazdu po stromym zboczu. Niektórzy, którzy przeżyli katastrofę Mt Everest w 1996 r., w zasadzie ześlizgiwali się ze zboczy do obozu. wyczerpany.

Na przykładzie schodów myślałem w kategoriach momentu obrotowego.

Kiedy chcesz się wynurzyć, umieść nogę zgiętą na górnym stopniu, a następnie otrzymujesz impuls, aby unieść drugą nogę do tego samego miejsca lub nawet do następnego stopnia. Kiedy to robisz, musisz skompensować moment obrotowy wytwarzany przez grawitację na twoim poprzednim kolanie.

Jednak podczas opadania grawitacja pomaga temu momentowi obrotowemu osiągnąć niższy stopień.

Nie wiem, czy to prawda, ale właśnie to przyszło mi do głowy.

Zejście przenieść energię, nie musisz dostarczać (prawie) niczego. Niewiele energii musisz wydać, to ta potrzebna do obsługi i kontrolowania transferu (i zejścia); reszta pochodzi z grawitacyjna energia potencjalna i będzie przekazywana jako energia mechaniczna i / lub rozpraszana jako ciepło. Przenoszenie mechaniczne w stawach i mięśniach może prowadzić do urazu, który może być postrzegany jako pokrewny zmęczeniu lub zmęczeniu.

Ty mógłby teoretycznie odzyskać energię podczas opadania, ale tak naprawdę tego nie robisz. Najlepsze, co możesz zrobić, to odzyskać trochę energii sprężystej z jednego kroku, aby przyspieszyć następny krok (istnieje kilka technik schodzenia, które uczą, jak poruszać się, aby robić to tak wdzięcznie, bezpiecznie, szybko lub tanio, jak to możliwe. Hamowanie przez zginanie i rozciąganie z górną częścią nogi – ta ostatnia wbrew grawitacji – jest droższe niż amortyzacja wstrząsu stopą i podudzia i zsuwanie się z jednego kroku na drugi).

Wiele energii zostaje rozproszonych w podeszwach butów (spróbuj zejść po długich schodach z drewnianymi listwami zamiast butów do biegania, przy czym mięśnie nóg muszą zbierać luz), we wszystkim, co obejmuje same kroki, w samych stopniach, jeśli są wystarczająco elastyczne, itp.

Więc chociaż możesz zejść wydajnie lub nie tak wydajnie, i zmęczyć się i / lub boleć również, energia, którą wydatki zejście w dół to zaledwie ułamek tego, co trzeba zrobić w górę, gdy trzeba dostarczyć to grawitacyjna energia potencjalna z własnych magazynów chemicznych.

Gdybyś był idealnie sztywnym ciałem na idealnie sztywnych schodach, z amortyzatorem tłoka w obu kolanach, zużywałbyś bardzo mało energii, aby przesuwać się do przodu i upaść na następny krok, a potem spadniesz na niego, amortyzatory pochłaniają wstrząs i rozpraszają go w postaci ciepła.

Komentarze

• Energia nie jest tworzona lub zniszczone. Całe zużycie energii jest przeniesienie.

Myślę, że pytanie można uprościć, zadając pytanie, biorąc pod uwagę różnicę między w górę i w dół część, kiedy przysiady .

Najpierw rozważmy bardzo prosty model: pionową sprężynę zwisającą z sufitu i masę zwisającą z sprężynę, która pociąga sprężynę w dół. Kiedy masa opada, energia potencjalna na sprężynie wzrasta. Kiedy masa podnosi się, energia potencjalna na sprężynie maleje. Dzieje się tak, mimo że w obu przypadkach sprężyna wywiera te same siły. Siła nie działa. Iloczyn skalarny siły i przemieszczenia to praca.

Innymi słowy: Gdy sprężyna (lub mięsień) wywiera siłę, nie musi oznaczać, że wykonuje jakąkolwiek pracę. Działa na obiekt zewnętrzny tylko wtedy, gdy siła porusza coś .

Wróćmy teraz do prawdziwego mięśnia. Podobnie jak w przypadku sprężyny w naszym przykładzie, mięsień ludzki działa, gdy się skraca, a praca jest pozytywna, ponieważ siła wywierana przez mięsień jest w kierunku przemieszczenia.

Twoje nogi są tak okablowane, że wykonując przysiady w górę, możesz skrócić określone mięśnie i wyprostować nogi. Tak więc, jak wyjaśniłem, podczas wspinaczki mięśnie wykonują pracę mechaniczną .

Podczas schodzenia w dół, siła jest w tym samym kierunku, ale przemieszczenie jest przeciwne. Dlatego podczas jazdy w dół, mechan praca fizyczna jest wykonywana na mięśniach. To może być trudne do uchwycenia, ale teraz przychodzi część biomedyczna: w przeciwieństwie do sprężyny, mięsień ludzki nie może magazynować energii, którą uzyskuje droga, a energia po prostu zamienia się w ciepło. Ponadto ze względu na to, jak faktycznie działają komórki w mięśniu, napięte mięśnie muszą generować ciepło, nawet jeśli są statyczne lub wydłużane . Dlatego schodzenie w dół wymaga energii.

Możesz spróbować w domu. (Może to być łatwiejsze do zaobserwowania, jeśli użyjesz ogromnego dodatkowego ciężaru, do którego nie jesteś przyzwyczajony, ale nie polecam ze względów medycznych). Jeśli przysiady są wykonywane bardzo powoli, energia potrzebna do wytworzenia ciepła, ponieważ dominują przyczyny biomechaniczne, a schodzenie w dół jest prawie tak samo trudne, jak wchodzenie w górę. Jeśli przysiady są wykonywane bardzo szybko, dominuje energia potrzebna do wytworzenia pracy mechanicznej. , a schodzenie w dół wydaje się o wiele łatwiejsze.

Komentarze

• Czy przeciwnik może wyjaśnić powód?
• Jako ktoś, kto kuca , Myślę, że to najlepsza odpowiedź na to pytanie, ale ze względu na biologiczny charakter problemu wymiana stosów fizyki mogła nie być najlepszym miejscem do zadawania pytań.

W Twoim poście wprowadzono znaczące zmiany, więc muszę wprowadzić znaczące zmiany, aby je rozwiązać, ponieważ pytanie jest interesujący.

Przejdźmy do sedna twojego pytania.

Aby przejść z punktu A, na dole schodów do punktu B, na szczycie schodów, musimy wywrzeć na to $ mg \ Delta h = mg (B-A) $ energii. Podczas wspinaczki zamienimy energię chemiczną ciała / mięśni, aby to zrobić. Aby zejść, jak „zauważyłeś”, nie ma możliwości zejść po schodach bez rozpraszanie $ mg (BA) $ energii. Fizycznie niemożliwe jest przetłumaczenie pewnej wysokości bez rozładowania co najmniej $ mg \ Delta h $ w energii. Pytanie brzmi, ile z $ mg (BA) $ musi dostarczyć moje ciało w postaci energii chemicznej?

Powiedzmy, że biorę linę i bloczek z hamulcem, aby ograniczyć moje tempo opadania. Tarcie między hamulcem rozproszy co najmniej $ mg \ Delta h = mg (BA) $ wartości energii.Zamienianie tarcia mechanicznego w ciepło.

Załóżmy, że skaczesz (z urwiska równej wysokości). Wtedy twoje ciało pochłonie $ mgh $ i prawdopodobnie zepsujesz coś lub umrzesz.

W powyższych dwóch przykładach, twoja produkcja energii była znikoma. Kluczem jest tutaj coś innego, co rozprasza energię i było to konieczne aby przynajmniej $ mgh $ rozproszyło się nawet podczas zejścia, gdzie „grawitacja działa na twoją korzyść”. To, co próbuję zilustrować, to to, że możesz zejść bez poświęcania dużej ilości własnej energii. Jak więc to się dzieje bez koła pasowego lub skakania?

Energia, którą chcesz rozproszyć, będzie rozpraszana na każdym kroku dzięki mechanice twojego ciała tkanki. Część normalnej siły wywieranej przez schody na Twoje stawy, kości, mięśnie, ścięgna itp. Będzie kompresować i odbijać się, rozpraszając energię w postaci ciepła. Które ciało będzie wtedy promieniować. Jeśli uważasz, że to nieistotne, upuść cegłę lub kawałek drewna i zobacz, jak długo się odbija. Jeśli nie odbija się w nieskończoność, oznacza to, że energia jest rozpraszana przez sam materiał poprzez kompresję i odbicie. Energia ta jest rozpraszana przez siły między cząsteczkowe i atomowe.

Oryginalna analiza (wstępne edycje)

Energia (analiza nieregularna)

Wspinaczka

Aby wejść po schodach, należy zapewnić 100% energii dostarczonej do wspinania się w pionie przy ciele.

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

Malejąco

Aby zejść w dół schodach, wystarczy zrobić małą pionową wspinaczkę (aby uwolnić stopę od tarcia), a następnie niewielką ilość energii, aby obrócić nogę do przodu. Stamtąd przejmuje grawitację. Niech „s załóżmy, że wykonujesz „krok” 1/100 wysokość schodów do rozpoczęcia schodzenia, a następnie:

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

Najwyraźniej z uproszczonej mechaniki opisanej powyżej $ E _ {\ text {wspinaczka}} > > E _ {\ text {descend}} $.

Oczywiście zaangażowane są inne siły. Użyjesz mięśni nóg, aby oprzeć się upadkowi ze schodów, jednak możesz zauważyć, że wykorzystujesz zmagazynowaną energię potencjalną z wysokości pionowej, aby zejść.

Energia netto (bardziej rygorystyczna Analiza)

Na podstawie powyższego akapitu widzimy, że poczyniliśmy założenia i tak naprawdę nie stworzyliśmy rygorystycznego modelu uwzględniającego wszystkie czynniki. Był to prosty eksperyment myślowy, który szybko wykazał, że prawdopodobnie właściwy sposób myślenia. Dlatego lepsza analiza przyjrzy się całemu systemowi w taki sposób, aby obowiązywały prawa ochrony.

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

Energia netto do wznoszenia

Poniższe równanie energii netto systemu lepiej pokaże, jak energia ludzka odnosi się do energii wspinaczki. Podzielmy model na cztery części: energia netto (0 $), energia potencjalna ($ mgh $) , wydajność energetyczna człowieka i wszelka energia grawitacyjna ($ E _ {\ te xt {extra}} $), którego możemy użyć, aby nam pomóc.

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

Podczas wspinaczki nasz $ E_ { \ text {extra}} = 0 $, ponieważ nie możemy użyć energii grawitacyjnej, aby nam pomóc (to znaczy, że nic nas nie „popycha”).

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

Energia netto do zejścia

Oczywiście podczas zejścia możemy przekształcić część energii potencjalnej, aby wykonać dla nas pracę. Możemy użyć energii grawitacyjnej, aby nam pomóc, gdy ciągnie nas tam, gdzie chcemy iść.

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

Tutaj, nasz $ E_ {\ text {extra}} \ gt0 $ ponieważ część energii grawitacyjnej można przekształcić / wykorzystać, aby pomóc nam zejść.

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

Oczywiście $ (2) \ lt (1) $ ponieważ $ E _ {\ text {extra}} \ gt0 $.

Moc kontra energia

Mówienie o prędkości z pewnością nie zmienić model. Przede wszystkim wprowadzenie tempa , z jakim schodzisz lub wchodzisz po schodach, oznacza, że mówimy teraz o mocy , która jest:

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

Jeśli skrócimy czas wznoszenia o połowę, podwoimy wymaganą moc.

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

Dlatego bieganie po schodach będzie bardziej męczące niż spokojny spacer.

(Co ciekawe, moc jest powodem, dla którego zaczniesz się rozpryskiwać, jeśli spróbujesz wziąć skrót do naprawdę wysokich schodów. Chociaż $ \ Delta E $ jest stała, ponieważ $ \ Delta t $ zbliża się do zera, zauważysz, że masz poważne problemy.)

Pomyśl o energii, wchodzenie po schodach wymaga od Ciebie energii, aby się podnieść. ta energia jest przechowywana w postaci energii potencjalnej. Jednak w przypadku schodzenia, każdy wykonany krok polega na przeniesieniu potencjalnej energii na schody (a nie z powrotem do ciała).

Podsumowując, tracisz energię (kalorie z pożywienia), gdy się wspinasz . A kiedy schodzisz, (prawie) nic nie tracisz.

Komentarze

• Nie, energia w dużej mierze wraca do twojego ciała, kiedy schodzisz – po prostu nie w użytecznej formie (nie ' nie stajesz się bardziej energiczny, tylko gorętszy!).
• @psmears: w jakiej formie? nie wraca i nie gromadzi się jako energia ciała (kalorie). zaniedbując tarcie mięśniowe i inne straty, energia w dużej mierze przenosi się na ziemię (poprzez siłę wywieraną na schody).
• W postaci ciepła – dostajesz (minimalnie) cieplej. Nie ' tak naprawdę nie ma żadnej energii przenoszonej na Ziemię przez siłę wywieraną na schody, ponieważ transfer energii = (siła x odległość przesunięta w kierunku siły), a schody nie ' naprawdę się nie poruszają.
• Schody się poruszają, tylko że są pomijalne ze względu na gigantyczne rozmiary Ziemi w porównaniu z naszym ciałem. gdyby nasz rozmiar i masa były porównywalne, byłoby to zauważalne.
• przemiana energii z PE może mieć postać pracy wykonywanej na poruszającej się ziemi, energii fali drgań w kontakcie, ciepła spowodowanego tarciem podczas ruchu w dół schodami, ale nie z powrotem do ciała.

Aby wywrzeć siłę i nadwerężyć mięśnie, jest nie to samo. Nawet jeśli całkowicie się zrelaksujesz, będziesz potrzebować pracy, aby poruszać kończynami. To właśnie ta praca tworzy siłę, która Cię spowalnia w dół, kiedy schodzisz po schodach.

Oczywiście nadal musisz napinać mięśnie podczas schodzenia, aby kontrolować trajektorię i prędkość. Ale kiedy wchodzisz, ta praca należy wykonać oprócz pracy wymaganej do podniesienia wagi.

Zamierzam podać inną odpowiedź , ponieważ żadna z istniejących odpowiedzi nie wydaje się zwięźle zajmować się sprawnością energetyczną.

Powiedzmy, że Twoje mięśnie są sprawne w 25%. Wydaje się, że jest to hojna strona , ponieważ jazda na rowerze i wiosłowanie jest prawdopodobnie bardziej wydajnym sposobem wykorzystania mięśni w porównaniu z chodzeniem, gdzie musisz włożyć więcej wysiłku, aby zachować zrównoważyć i pochłonąć wstrząs.

Wchodząc na wzgórze, w rzeczywistości zużyjesz 4 razy więcej energii na wspinanie się nogami niż rzeczywista ilość energii potencjalnej, którą zyskujesz. Trzy części to 75% nieefektywności, które generują ciepło w twoim ciele, a ostatnia część to 25%, które trafia do rzeczywistej energii potencjalnej.

A teraz rozważmy zejście w dół. tyłem w dół ze wzgórza, używasz tych samych mięśni i będziesz wykonywał mniej więcej ten sam ruch. Chodziłem w górę i w dół oraz w pobliżu stromego wzgórza w ten sposób, aby to potwierdzić. Teraz, schodząc ze wzgórza, wiemy, że musisz wygenerować przynajmniej tyle energii potencjalnej na szczycie, aby znaleźć się na dole bez wzrostu prędkości. Ale to cała energia, którą potrzebujesz, aby wygenerować prosty spacer w tył w dół! Cała energia Twoich mięśni służy specjalnie do zrzucenia energii potencjalnej i przekształcenia jej w ciepło.

Więc chodzenie w górę jest pochłonie co najmniej 4 razy więcej energii z zasobów twojego ciała niż chodzenie w dół. Może to być więcej, ponieważ istnieją sposoby na efektywniejsze rozproszenie potencjalnej energii – nazywa się to mniej wydajnym wykorzystaniem mięśni! Jeśli Twoje mięśnie są wydajne tylko w 16% (najniższe wartości podane na połączonej stronie), Podjazd pochłonie 6,25 razy więcej energii. Jeśli zjeżdżasz część drogi w dół, zajmie to jeszcze mniej energii, ponieważ rozpraszasz energię w postaci ciepła z tarcia, a nie w mięśniach.

Komentarze

• Przegapiłeś bardzo ważny punkt dotyczący nieefektywności biologicznej: mięśnie spalają energię nawet wtedy, gdy nie są wykonywane żadne prace fizyczne. Spalają energię nawet wtedy, gdy wykonywana jest negatywna praca. Czasami bardzo (próbując robienie negatywów na siłowni!). ' nie zwracasz uwagi na proporcjonalność. Roszczenie tutaj ” Więc podejść do pochłonie co najmniej 4 razy więcej energii z organizmu ' niż chodzenie w dół.” opiera się na nieporozumieniu. To ' jest podstawowym problemem związanym z tym pytaniem: nie możesz ' zrozumieć sytuacji bez zrozumienia biologii więcej niż większość fizyków kiedykolwiek nauczyła się.
• @dmckee Nie zgadzam się. Podane wartości wydajności zmierzono na podstawie rzeczywistego zużycia tlenu. Miałoby to miejsce tylko podczas rzeczywistego ćwiczenia. Tak, część tej nieefektywności wynika z metabolizmu podstawowego, ale ' występuje w kontekście wysiłku, a nie spoczynku. Nie ' nie martwimy się przepływami energii poza oknem czasu, w którym wykonywana jest rzeczywista praca.

Proste. Ciągła siła 1 g ciągnie cię w dół.

(tak, to zależy od odległości od Ziemi itp. Itd., Ale uproszczony przykład wystarczy do wyjaśnienia)

Więc jeśli chcesz wynurzyć się na, powiedzmy, pół ag, musisz wytworzyć 1,5 g siły, z czego 1 g wystarczy, aby zlikwidować siłę grawitacji.

Jeśli potrzebujesz zniżać się z tym samym przyspieszeniem (pół ag) musisz wytworzyć tylko połowę ag siły – aby anulować połowę ag grawitacji.

Więc 0,5 g do opadania, 1,5 g do wznoszenia.

Dla innych pożądanych przyspieszenia (powiedzmy, 0,1 g, 0,05 g itd.) możesz obliczyć.

Komentarze

• Nie ' nie sądzę, że ' to wszystko, patrz punkt A) w mojej edycji … gdybym nadal kompensował g (o jakąkolwiek niewielką ilość) na każdym kroku, przyspieszyłbym w nieskończoność .
• ” 1,5 g siły ” prawdopodobnie nie powinno ' nie być napisane na physics.stackexchange.
• -1 Schodzenie po schodach jest łatwiejsze niż wchodzenie po schodach nawet na długich dystansach ze stałą prędkością (czyli bez przyspieszenia).
• g jest jednostką przyspieszenia, a nie siły i zdecydowanie nie prędkości. Jeśli ' podróżujesz ze stałą prędkością, masz przyspieszenie równe zero g. Na początku będzie małe przyspieszenie (ale nie zbliżone do 0,5), a na końcu małe przyspieszenie w drugim kierunku. Jeśli zaczynasz w spoczynku i kończysz w spoczynku, Twoje średnie przyspieszenie musi wynosić zero.
• Jeśli idę w górę lub w dół po schodach, przez większość czasu ' m nie przyspieszam ani nie zwalniam – przynajmniej nie za bardzo. Gdyby to przyspieszenie powodowało zmęczenie, pokonanie 50 schodów nie byłoby bardziej męczące niż przejście tylko jednego.