Sin embargo, al descender, debe ejercer una fuerza equivalente para evitar acelerar y golpear el suelo …

Absolutamente correcto.

El hecho de que subir escaleras se percibe comúnmente como significativamente más agotador que bajar las mismas escaleras es puramente biomecánico, p. ej. ¿Tener articulaciones en lugar de músculos absorben / contrarrestan la energía cinética?

Correcto. Al subir las escaleras, debes ejercer grandes fuerzas con tus músculos grandes. Cuando sus piernas levantan su torso, sus músculos están suministrando fuerzas suficientes (con un costo de energía) para hacerlo.

Cuando bajas las escaleras, no es al revés de subir. En lugar de usar los músculos grandes para desacelerar, la mayoría de las personas tomarán una pierna estirada y la colocarán en el escalón inferior. La desaceleración se logra mediante la deformación plástica en las articulaciones, el desplazamiento de líquidos en el pie y los materiales en los zapatos y el piso. Todavía hay algo de demanda de energía en los músculos para la coordinación y el movimiento de las piernas, pero es significativamente menor que si los músculos estuvieran haciendo el trabajo de desaceleración.

Comentarios

• la mayor parte de la » deformación plástica, etc. » utiliza energía dispersa de lo recuperado del potencial. Es el uso hábil y direccional de los músculos para dejar de girar lo que necesita un nuevo aporte calórico, que no es mucho.
• » deformación plástica en las articulaciones » ¿De verdad? Eso parece que sería muy rápido dañar el cuerpo.
• @JMac, » Plástico » en lugar de a » elástico «. La idea es que la energía se disipa, por lo que los tendones o estructuras que actúan como resortes y devuelven energía no ‘ ayudan. Pero el cartílago que se deforma sí lo hace. ‘ no significa que se esté produciendo un daño.
• Como quizás un » experimento mental «, tenga en cuenta que incluso un cuerpo humano muerto o inconsciente todavía es capaz de caer por una escalera (y detenerse en la parte inferior). Por lo tanto, es evidente que no se necesita un trabajo muscular activo para disipar la energía potencial obtenida al bajar las escaleras. (Para un experimento más práctico, sustituya un saco de papas o lo que sea; casi cualquier material no elástico tendrá el mismo comportamiento cualitativo).
• @DavidScarlett: Asegúrese de que ‘ un paso muy pequeño, o simplemente un paso horizontal. Me preocupa que las personas se puedan lastimar al aterrizar con las articulaciones bloqueadas incluso en un solo escalón de una escalera normal si realmente se caen (sin usar la pata trasera para reducir la velocidad antes del impacto).

tienes que ejercer una fuerza equivalente para evitar acelerar y golpear el suelo

Como animales, gastamos calorías para subir y ganar energía potencial. El cansancio es una medida de las calorías gastadas. Idealmente, bajar no necesita calorías y no hemos evolucionado hasta el punto de recuperarlas. Excepto que se necesitan algunas calorías en la interacción con las fuerzas de fricción y cierta habilidad para transferir el exceso de energía a los pasos.

Piense en esquiar. Para subir la colina a pie se necesitan muchas calorías, (lo creas o no, en 1958 me enseñaron a subir con esquís) para controlar la velocidad deslizándome unas cuantas, y algo de habilidad (por eso en ese curso, Estuve bien subiendo, pero terminé en un chapoteo al pie de la colina, sin habilidades). La energía es el retorno de las calorías gastadas para subir (bueno, parcialmente, la fricción ocupa una parte).

Editar después de editar la pregunta:

La única razón por la que introduje la velocidad en la pregunta fue para mostrar que en realidad tienes que gastar energía bajando las escaleras

Eres ab initio asumiendo que la velocidad consume energía de sus músculos. La velocidad de descenso se sostiene mediante la disminución de la energía potencial de forma incremental al bajar un escalón. Eso se convierte en una velocidad de tu cuerpo, al golpear el paso una fuerza normal rebota una pelota hacia atrás, tienes que gastar algo de energía muscular para no rebotar, pero de ninguna manera igual a la energía necesaria para llevar tu peso un paso arriba.

Estoy bastante seguro de que la fricción no juega un papel importante en este experimento mental.

Incorrecto. La fricción juega un papel muy importante al caminar, subir o bajar. ¿Has intentado caminar sobre hielo?

No, no estoy argumentando que descender sea subjetivamente menos agotador, estoy preguntando por qué es menos agotador

Es menos agotador porque se necesita menos energía de los músculos del cuerpo, necesaria para dirigir el camino de descenso para controlar la liberación de energía de la disminución incremental de la energía potencial del cuerpo. Dirigir absorbe mucho menos energía que levantar objetos.

No existe una fuerza normal «libre» o «automática» que emana de las escaleras que le impida acelerar.

Pagaste por subir las escaleras. La velocidad incremental de bajar el cuerpo paso a paso golpea el paso y se crea una fuerza normal a partir del impacto, no de los músculos. Los músculos necesitan controlarlo para que no rebotes como una pelota, pero eso es menos energía que el paso potencial, debido a que la fricción ocupa la mayor parte del mismo.

Además, como señalaron varias personas, nosotros, como humanos, no tenemos forma de utilizar o reconvertir nuestra energía potencial almacenada para desacelerarnos.

No , pero nuestro cuerpo es lo suficientemente inteligente cuando se encuentra en una situación de velocidad como para gastar un poco de energía muscular para dirigir hacia dónde va esa velocidad. La velocidad que proviene de la aceleración de la caída de un paso a otro se transforma en fricción (no ayudan los zapatos deslizantes) y un rebote del cuerpo debido a la fuerza normal, todo consumido por la fricción y la radiación. La nueva entrada de energía es pequeña con respecto a la energía gastada para alcanzar un alto potencial. Vea el ejemplo de esquí anterior.

Después de la tercera edición, aquí hay un ejemplo simple:

1) Tome una pelota medio inflada que rebote unas cuantas veces y se detenga en un piso plano .

2) Levántalo por las escaleras, junto al borde. Energía potencial adquirida.

3) Dale un pequeño empujón solo para caer en el siguiente paso: un poquito de energía gastada.

Rebotará por los pasos sin energía extra y, dependiendo de qué tan desinflado esté, puede llegar al suelo o detenerse en el medio debido a que la fuerza normal es mayor que la ganancia de cinética de la energía potencial de la caída de un paso.

Comentarios

• Creo que el ejemplo de esquí muestra exactamente por qué necesitas frenar; de lo contrario, conviertes básicamente todo tu potencial en energía cinética. Mi argumento es que frenar requiere matemáticamente exactamente la misma cantidad de energía.
• @Daniel y mi argumento es que recuperas la energía gastada y la usas para frenar, como lo harías con las habilidades de esquí, solo gastando un un poco de energía nueva girando el tobillo para profundizar más y frenar la velocidad. es la energía original gastada para alcanzar el potencial más alto, dado a la fricción de frenado.
• un ejemplo más simple: un balde de agua tiene energía potencial en la cima de la colina, viértela y gasta el energía potencial corriendo cuesta abajo. En el caso de las escaleras, no rodamos hacia abajo, sino que gastamos la energía potencial gradualmente paso a paso con la fricción y la dispersión hacia atrás de los pies en el escalón. Algunas calorías se gastan al reducir los músculos, pero no tanto como al subir.
• @Daniel no, no ‘ t, la fricción se encargará de para ti
• No ‘ t la mayor parte de la fricción al subir y bajar escaleras (al menos la fricción entre tus pies y los escalones) fricción estática , lo que significa que solo transfiere energía potencial y cinética entre la tierra y la persona, y no al calor? Por otro lado, no tengo idea de si hay fricción internamente en las piernas.

Es biomecánica.

Bueno, es antrópica.

La energía potencial gravitacional es energía de muy alta calidad (baja entropía). Convertirlo en un trabajo casi arbitrario es realmente fácil.

Cuando bajamos, convertimos esa energía potencial gravitacional en calor empapándola con nuestros huesos y ligamentos elásticos. Esta es una conversión fácil, ya que estamos pasando de energía de entropía baja a energía de entropía alta.

Ahora, se realiza algo de trabajo muscular más allá de simplemente absorber los choques; esto nos mantiene equilibrados y en control a medida que descendemos.

Al subir, en cuanto a energía, nada nos impide enfriar nuestros músculos, ligamentos y huesos y usarlos para subir los escalones, generando energía potencial gravitacional. . Pero eso violaría las leyes de la termodinámica, es decir, convertir la energía de alta entropía en energía de baja entropía.

En cambio, nos vemos obligados a convertir nuestra energía química almacenada (ATP y otras) en energía cinética, que luego convertimos en energía potencial gravitacional.

Nuestras reservas de energía de ATP (y otras sustancias químicas almacenadas) se agotan y nos sentimos cansados.

La forma biomecánica en que esto se realiza implica cómo ascendemos y descendemos; probablemente podrías hacer alguna criatura que no sea muy eficiente para descender y que use los músculos todo el camino.

Hay personas que «bajan escaleras» deslizándose por una barandilla y solo queman energía para generar fricción contra la barandilla. Esta es probablemente la forma más eficiente para que alguien baje las escaleras.

Básicamente, uno no puede subir tan eficientemente como puede descender.

La energía no se utiliza , se transfiere y se convierte. La energía «disponible» es energía de baja entropía de alta calidad. Nunca «gastas» energía en algo (aparte de crear masa en reposo si no hablas de equivalencia masa-energía), en cambio, conviertes la energía de baja entropía en una mezcla de energía de baja entropía de una forma diferente y de mayor entropía -Pérdida de energía.

• Tus músculos ejercen más fuerza al ascender que al descender:

Al bajar las escaleras tienen que ejercer una fuerza menor que la gravedad para poder controlar su velocidad, mientras que al subir las escaleras, la fuerza que ejercen debe ser al menos igual a su peso, para que pueda ascender. Por lo que sus músculos están haciendo más trabajo ascendente que descendente, los movimientos son típicamente no simétricos .

Eso «es especialmente cierto porque la fuerza de frenado (para la» caída «de un paso a otro, proporcionada por el paso» s fuerza normal ) no es una reacción de una fuerza ejercida por los músculos de la pierna: puedes golpear el Da un paso con las piernas estiradas y deja que la energía del impacto se disipe pasivamente a través de tu cuerpo, gastando muy poca energía en el proceso, como se explica en BowOfRed respuesta .

• Las pérdidas de energía naturales te ayudan a mantener una velocidad cómoda al bajar las escaleras, mientras que » es una pérdida que debe compensar al subir las escaleras.

• Y, sí, también hay algunos aspectos biomecánicos en juego. eh, por ejemplo, cuánto más cansado es descender en cámara lenta: bajar las escaleras muy lentamente no es más fácil que subir las escaleras a la misma velocidad; aumenta la simetría entre ambos movimientos.

Comentarios

• Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación ha sido movida al chat .

Puede darse el caso de que lo que tengo que decir ya se haya dicho implícitamente en otras respuestas, pero estoy publicando esta respuesta porque no veo una respuesta que sea manifiestamente similar a la que tengo en mente .

Al subir las escaleras, el sistema de la persona terrestre gana energía potencial. Este incremento de energía potencial debe provenir de la energía bioquímica de la persona. Por lo tanto, al subir las escaleras, la persona necesita trabajar al menos la cantidad de incremento en la energía potencial del sistema tierra-persona.

Ahora, al bajar las escaleras, el sistema tierra-persona pierde energía potencial. Por lo tanto, esta energía potencial perdida debería ir a alguna parte. El primer lugar al que debe ir es la energía cinética macroscópica de la persona. Hasta este punto, está completamente claro que la persona no gasta ni un centavo de su energía bioquímica. Pero requerimos que la persona no gane energía macroscópica. Por lo tanto, debemos redistribuir la energía que se libera del sistema tierra-persona en otras formas. Esta redistribución se realiza mediante las fuerzas de reacción normales entre las piernas de la persona y las escaleras. Redistribuyen la energía en movimiento vibratorio de los escalones y parcialmente en el movimiento vibratorio de las moléculas de las piernas de la persona, etc. Pero esto es solo la redistribución de la energía. La persona no necesita gastar nada de su energía bioquímica en absoluto. En realidad, si la persona gastara algo de energía, habría un requisito adicional de redistribuir esta energía gastada adicional.

He ignorado las pérdidas por ineficiencia, etc., que se puede suponer razonablemente que son las mismas al subir o bajar escaleras.

La respuesta es simple:

-> El ascenso se realiza trabajo muscular .

-> El descenso se realiza (principalmente) mediante amortiguador .

Explicando:

Al subir, uno dobla las rodillas y luego debe usar una cantidad considerable de fuerza (dependiendo del peso) para estirar la pierna y levantarse al siguiente escalón.

Bajar (ideal , caso simplificado), primero, uno usa la gravedad para estirar la pierna y luego relaja los músculos de la otra pierna y comienza a caer.Antes de que gane una velocidad de caída peligrosa (dependiendo de la altura de los escalones), la pierna recta golpea el siguiente escalón y toda la energía es disipada por los sistemas de absorción de impactos de su cuerpo.

En otras palabras, bajar se hace con pequeños saltos. Yo lo llamo caso ideal, ya que esta configuración resulta en el menor uso de la fuerza muscular para bajar. En realidad, sin embargo, uno todavía usa algo de energía muscular para estirar la pierna, manteniéndola rígida, etc., que es considerablemente menor que la energía requerida para levantarse.

El trabajo realizado es igual a la fuerza ejercida multiplicada por la distancia recorrida en la dirección de la fuerza .

Tienes razón en que (en una primera aproximación) las fuerzas ejercidas al subir y bajar son las mismas: en ambos casos (de nuevo, en una primera aproximación) tienes una cuerpo moviéndose a velocidad constante – ya sea hacia arriba o hacia abajo – sujeto a la gravedad, por lo que debe haber una fuerza hacia arriba que coincida con la fuerza de la gravedad.

El problema es que, al ascender, los músculos (tendones, ligamentos, huesos, etc., toda la «máquina» del cuerpo) están ejerciendo una fuerza hacia abajo mientras se mueven hacia arriba, por lo que están perdiendo / gastando energía. ; al descender, la fuerza sigue siendo hacia abajo, pero ahora el movimiento también es hacia abajo, por lo que los músculos (etc.) están recibiendo / ganando energía.

Ahora, como ya sabes, los músculos no pueden funcionar a la inversa: son buenos para convertir energía química en energía mecánica. , pero no puedes poner energía mecánica y recuperar energía química. Pero eso no significa que no puedan absorber energía: pueden, y lo hacen al calentarse.

También es cierto que los músculos requieren energía para funcionar, ya sea que estén haciendo algo trabajo útil o no. Pero no es cierto que la energía requerida para que un músculo ejerza una fuerza específica sea constante: muy aproximadamente, habrá una sobrecarga de energía «desperdiciada» $ W (F) t $ para una fuerza dada durante un tiempo dado, más cualquier trabajo realizado por el músculo a través del movimiento $ F \ cdot x $. Si el músculo no se mueve (piense en empujar contra una pared de ladrillos), use solo $ W (F) t $; si está haciendo un trabajo real (por lo que el músculo se mueve al contraerse), es $ W (F) t + F \ cdot x $. El desperdicio probablemente será similar al subir y bajar escaleras, pero el trabajo realizado por los músculos no lo hará.

Comentarios

• Esta es la respuesta correcta. OP se confunde al ignorar el signo de la energía. Básicamente OP está diciendo » arriba o abajo: la misma fuerza, la misma distancia, por lo que el mismo trabajo «. Pero debería ser » misma fuerza, distancia opuesta, trabajo opuesto «.
• Muy cierto: cuando se camina escaleras abajo, se necesita eliminar el exceso de energía ! (O uno, en las palabras del OP ‘, terminaría como un punto húmedo en la parte inferior). Eso puede ser un desafío significativo, por ejemplo al correr por una pendiente empinada. Algunos supervivientes del desastre del Monte Everest de 1996 básicamente se deslizaron por las pendientes hasta el campamento. Nunca podrían haber escalado de la misma manera: estaban demasiado e xhausted.

Para el ejemplo de las escaleras, estaba pensando en términos de torque.

Cuando quiera ascender, coloque la pierna doblada en el escalón superior y luego tome el impulso de levantar la otra pierna hasta ese mismo lugar o incluso el siguiente escalón. Cuando haces eso, debes compensar el torque que la gravedad está produciendo en tu rodilla anterior.

Sin embargo, al descender, la gravedad ayuda a ese torque para alcanzar el escalón más bajo.

No sé si esto es correcto, pero esto es lo que me vino a la mente.

Cuando desciende, transferir la energía, no necesitas suministrar (casi) nada. La poca energía que necesitas gastar es la necesaria para manejar y controlar la transferencia (y el descenso); el resto proviene del energía potencial gravitacional, y se transferirá como energía mecánica y / o se disipará como calor. La transferencia mecánica en las articulaciones y los músculos puede provocar un trauma que puede percibirse como relacionado con el cansancio o la fatiga.

Usted podría en teoría recuperar energía al descender, pero realmente no es así. Lo mejor que puede hacer es reciclar algo de energía elástica de un paso para impulsar el siguiente (hay varias técnicas de descenso que enseñan cómo moverse para hacerlo de la manera más elegante, segura, rápida o económica posible. extender con la parte superior de la pierna – esta última contra la gravedad – es más costoso que absorber el impacto con el pie y la parte inferior de la pierna y deslizarse hacia abajo de un paso al siguiente).

Mucha energía se disipa en las suelas de los zapatos (intente bajar una escalera larga con listones de madera en lugar de zapatos para correr, con los músculos de las piernas teniendo que tomar la holgura), en lo que cubra el pasos ellos mismos, en los pasos mismos si son lo suficientemente elásticos, etc.

Entonces, si bien puede descender de manera eficiente o no tan eficiente, y cansarse y / o dolor al bajar también, la energía que gastar bajar es solo una fracción de lo que necesitas para subir, cuando tienes que suministrar eso energía potencial gravitacional de sus propios almacenes de productos químicos.

Si fuera un cuerpo perfectamente rígido en escaleras perfectamente rígidas, con un amortiguador de pistón en ambas rodillas, gastaría muy poca energía para deslizarse hacia adelante y caer sobre el suelo. siguiente paso, y luego caería sobre él, los amortiguadores absorben el impacto y lo disipan en forma de calor.

Comentarios

• La energía no se crea o destruido. Todo el uso de energía es transferencia.

Creo que la pregunta se puede simplificar preguntando considerando la diferencia entre el ascendente y el descendente parte cuando haciendo sentadillas .

Consideremos primero un modelo muy simple: un resorte vertical que cuelga del techo y una masa que cuelga de el resorte que tira del resorte hacia abajo. Cuando la masa desciende, aumenta la energía potencial del resorte. Cuando la masa sube, la energía potencial del resorte disminuye. Eso es a pesar de que en ambos casos, el resorte ejerce las mismas fuerzas. La fuerza no funciona. El producto escalar de fuerza y desplazamiento es trabajo.

En otras palabras: Cuando un resorte (o un músculo) ejerce una fuerza, no necesariamente significa que hace algún trabajo. Trabaja en un objeto externo solo si la fuerza mueve algo .

Ahora regrese a un músculo real. Como el resorte en nuestro ejemplo, un músculo humano funciona cuando se acorta, y el trabajo es positivo porque la fuerza ejercida por el músculo es en la dirección del desplazamiento.

Tus piernas están alambradas de tal manera que al hacer sentadillas hacia arriba, puedes acortar ciertos músculos y estirar tus piernas. Entonces, como ya expliqué, al subir, los músculos realizan un trabajo mecánico .

Al bajar, la fuerza está en la misma dirección pero el desplazamiento es opuesto. Por lo tanto, al ir hacia abajo, la mecánica El trabajo ical se realiza en los músculos. Esto puede ser difícil de entender, pero ahora viene la parte biomédica: a diferencia del resorte, el músculo humano no puede almacenar la energía que gana. camino y la energía simplemente se convierte en calor. Además, debido a cómo funcionan realmente las células del músculo, los músculos tensos necesitan generar calor incluso cuando están estáticos o alargados . Es por eso que ir hacia abajo necesita energía.

Puede probar esto en casa. (Puede ser más fácil de observar si usa un peso extra enorme al que no está acostumbrado, pero no recomiendo eso por razones médicas.) Si haces sentadillas muy lentamente, la energía necesaria para generar calor por razones biomecánicas domina, y bajar se siente casi tan duro como subir. Si haces sentadillas muy rápido, la energía necesaria para generar trabajo mecánico domina , y bajar se siente mucho más fácil.

Comentarios

• ¿Podría el votante negativo explicar la razón?
• Como alguien que se pone en cuclillas , Creo que esta es la mejor respuesta a la pregunta, pero debido a la naturaleza biológica del problema, Physics Stack Exchange puede no haber sido el mejor lugar para la pregunta.

Hay cambios importantes en su publicación, así que tengo que hacer cambios importantes para abordarlos porque la pregunta es interesante.

Vayamos al meollo de su pregunta.

Para ir del punto A, parte inferior de las escaleras, al punto B, parte superior de las escaleras, debemos ejercer $ mg \ Delta h = mg (B-A) $ energía para hacerlo. Al escalar, convertiremos la energía química del cuerpo / músculos para hacer esto. Para descender, como has observado, no hay forma de bajar las escaleras sin disipando $ mg (BA) $ de energía. Es físicamente imposible trasladar algo de altura sin descargar al menos $ mg \ Delta h $ en energía. La pregunta es, ¿cuánto de $ mg (BA) $ necesita mi cuerpo para proporcionar en forma de energía química?

Digamos que tomo una cuerda y una polea con freno para limitar mi ritmo La fricción entre el freno disipará al menos $ mg \ Delta h = mg (BA) $ de energía.Convertir la fricción mecánica en calor.

Digamos que saltas (desde un acantilado de igual altura). Entonces tu cuerpo absorberá $ mgh $ y probablemente romperás cosas o morirás.

En los dos ejemplos anteriores, tu producción de energía fue insignificante. La clave aquí es que algo más disipó la energía y fue necesaria para que al menos $ mgh $ se disipen incluso en el descenso donde «la gravedad trabaja a tu favor». Lo que estoy tratando de ilustrar es que puedes descender sin emplear mucha de tu propia energía. Entonces, ¿cómo sucede esto sin una polea o sin saltos?

La energía que desea disipar se disipará en cada paso utilizando la mecánica de su cuerpo tejidos. Una proporción de la fuerza normal que ejerce la escalera sobre las articulaciones, huesos, músculos, tendones, etc., se comprimirá y rebotará, disipando la energía en forma de calor. ¿Cuál es tu cuerpo? luego irradiará. Si cree que esto no es significativo, deje caer un ladrillo o un trozo de madera y observe cuánto tiempo rebota. Si no sigue rebotando para siempre, eso significa que el material mismo disipa la energía, mediante compresión y rebote. Esta energía es disipada por fuerzas intermoleculares y atómicas.

Análisis original (pre ediciones)

Energía (análisis no riguroso)

Escalada

Para subir las escaleras, se debe proporcionar el 100% de la energía que se proporciona para subir verticalmente por tu cuerpo.

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

Descendente

Para descender el escaleras, solo necesita proporcionar una pequeña subida vertical (para liberar el pie de la fricción) y luego una pequeña cantidad de energía para girar la pierna hacia adelante. La gravedad toma el control a partir de ahí. Vamos a «s suponga que «da un paso» 1/100 la altura de las escaleras para iniciar un escalón descendente, luego:

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

Claramente, a partir de la mecánica simplificada descrita anteriormente $ E _ {\ text {subir}} > > E _ {\ text {descen}} $.

Naturalmente, otras fuerzas están involucradas. Utilizará los músculos de las piernas para resistir la caída de las escaleras, sin embargo, puede ver que está aprovechando la energía potencial almacenada de su altura vertical para usarla para descender.

Energía neta (más rigurosa Análisis)

Con base en el párrafo anterior, podemos ver que hemos hecho suposiciones y no hemos elaborado un modelo riguroso para tener en cuenta todos los factores. Fue un experimento mental simple para mostrar rápidamente que línea de pensamiento correcta. Por lo tanto, un mejor análisis considerará todo el sistema de manera que se cumplan las leyes de conservación.

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

Energía neta para escalar

La siguiente ecuación de energía neta del sistema mostrará mejor cómo la energía humana se relaciona con la energía de ascenso. Dividamos el modelo en cuatro partes: energía neta ($ 0 $), energía potencial ($ mgh $) , producción de energía del ser humano y cualquier energía gravitacional ($ E _ {\ te xt {extra}} $) que podemos usar para ayudarnos.

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

En una escalada, nuestro $ E_ { \ text {extra}} = 0 $ ya que no podemos usar energía gravitacional para ayudarnos (es decir, nada «empuja» hacia arriba).

( 1) $ E _ {\ text {humano, trepar}} = E _ {\ text {pe}} $

Energía neta para el descenso

Claramente, en el descenso, podemos convertir parte de la energía potencial en trabajo para nosotros. Podemos usar la energía gravitacional para ayudarnos mientras nos lleva a donde queremos ir.

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

Aquí, nuestro $ E_ {\ text {extra}} \ gt0 $ ya que algo de energía gravitacional puede convertirse / aprovechar para ayudarnos a descender.

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

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

Potencia vs Energía

Hablar de velocidad ciertamente cambiar el modelo. Principalmente, la introducción de la velocidad a la que baja o sube las escaleras significa que ahora estamos hablando de potencia , que es:

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

Si reducimos nuestro tiempo de ascenso a la mitad, duplicamos la potencia requerida.

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

Esta es la razón por la que subir las escaleras será más agotador que caminar sin prisas.

(Y, curiosamente, el poder es la razón por la que saldrás disparado si intentas tomar un atajo para bajar escaleras realmente altas. Si bien $ \ Delta E $ es constante, a medida que $ \ Delta t $ se acerca a cero, encontrará que tiene serios problemas.)

Piense en la energía, subir escaleras requiere energía de usted para empujarse hacia arriba. esta energía se almacena en forma de energía potencial. Sin embargo, en caso de descender, cada paso que das se trata de transferir tu energía potencial a la escalera (no de regreso a tu cuerpo).

En resumen, pierdes energía (calorías de los alimentos) cuando asciendes. . Y no pierde (casi) nada cuando desciende.

Comentarios

• No, la energía regresa en gran medida a su cuerpo cuando desciende, solo no en una forma útil (no ‘ no se pone más enérgico, ¡solo más caliente!).
• @psmears: ¿en qué forma? no regresa y se almacena como energía corporal (calorías). sin tener en cuenta la fricción muscular y otras pérdidas, la energía se transfiere en gran medida a la tierra (a través de la fuerza ejercida en las escaleras).
• En forma de calor, se calienta (marginalmente). No hay ‘ realmente ninguna energía transferida a la Tierra a través de la fuerza ejercida en las escaleras, porque la transferencia de energía = (fuerza x distancia movida en la dirección de la fuerza), y las escaleras no ‘ no se mueva realmente.
• La escalera se mueve, solo que es insignificante debido al tamaño gigantesco de la tierra en comparación con nuestro cuerpo. si nuestro tamaño y masa fueran comparables, será observable
• La transformación de energía de PE puede ser en forma de trabajo realizado en la tierra en movimiento, energía de onda de vibración cuando entra en contacto, calor debido a la fricción a medida que bajamos la escalera, pero no de vuelta al cuerpo.

Ejercer una fuerza y tensar los músculos es no es lo mismo. Incluso si te relajas por completo, será necesario trabajar para mover tus cojeas. Este trabajo es exactamente lo que crea la fuerza que te frena hacia abajo cuando baja las escaleras.

Por supuesto, todavía necesita tensar los músculos al bajar, para controlar su trayectoria y velocidad. Pero cuando sube, ese trabajo debe hacerse además del trabajo requerido para levantar su peso.

Voy a proporcionar otra respuesta , porque ninguna de las respuestas existentes parece abordar de manera sucinta la eficiencia energética.

Digamos que sus músculos tienen un 25% de eficiencia. Esto parece estar en el lado generoso , ya que el ciclismo y el remo son probablemente usos más eficientes de sus músculos en comparación con caminar, donde debe esforzarse más para retener su Equilibrarse y absorber el impacto.

Entonces, al subir una colina, en realidad va a gastar 4 veces la energía que sube con las piernas como la cantidad real de energía potencial que gana. Tres partes de eso está en el 75% de ineficiencia, que genera calor en su cuerpo, y la última parte es el 25% que se destina a energía potencial real.

Ahora consideremos bajar. Si camina hacia atrás, cuesta abajo, estás usando los mismos músculos y vas a hacer aproximadamente el mismo movimiento. Caminé hacia arriba y hacia abajo y una colina empinada cercana como esta para confirmar esto. Ahora, al caminar cuesta abajo, sabemos que hay que generar al menos la cantidad de energía potencial en la parte superior para terminar en la parte inferior sin aumentar la velocidad. ¡Pero esa es toda la energía que necesita generar para una simple caminata hacia atrás cuesta abajo! Toda su energía muscular tiene el propósito específico de descargar energía potencial y convertirla en calor.

Así que caminar es consumirá al menos 4 veces más energía de las reservas de su cuerpo que caminar hacia abajo. Puede ser más, porque hay formas en que puede disipar la energía potencial de manera más eficiente, ¡se llama ser menos eficiente en el uso de sus músculos! Si sus músculos tienen solo un 16% de eficiencia (el extremo inferior se cita en la página vinculada) cuesta arriba tomará 6.25 veces más energía. Si te deslizas parte del camino cuesta abajo, tomará incluso menos energía ya que estás disipando la energía como calor de la fricción y no en tus músculos.

Comentarios

• Te perdiste un punto muy importante sobre la ineficiencia biológica: los músculos queman energía incluso cuando no se realiza ningún trabajo de física. Queman energía incluso cuando se realiza un trabajo negativo. A veces, mucho (intentar haciendo negativos en el gimnasio!). Usted ‘ no está mirando una proporcionalidad. La afirmación aquí » Así que caminar es consumirá al menos 4 veces más energía de las reservas de ‘ de su cuerpo que caminar hacia abajo.» se basa en un malentendido. Ese ‘ es el problema básico con esta pregunta: no puedes ‘ comprender la situación sin comprender más biología de lo que la mayoría de los físicos aprenden.
• @dmckee No estoy de acuerdo. Las cifras de eficiencia citadas se midieron mediante el consumo real de oxígeno. Esto solo se haría durante el ejercicio real. Sí, parte de esa ineficiencia se debe al metabolismo básico, pero ‘ s en el contexto del esfuerzo, no en reposo. No estamos ‘ t preocupados por los flujos de energía fuera de la ventana de tiempo en que se está realizando el trabajo real.

Simple. Hay una fuerza constante de 1g que te empuja hacia abajo.

(sí, depende de la distancia a la Tierra, etc., etc., pero un ejemplo simplificado es suficiente para una explicación)

Entonces si quieres ascender a, digamos media ag, necesitas producir 1,5 g de fuerza, 1 g de los cuales se usa solo para cancelar la fuerza de gravedad.

Si necesitas descender a la misma aceleración (medio ag) necesitas producir solo la mitad de fuerza de fuerza, para cancelar la mitad de fuerza de gravedad.

Entonces, 0.5 g para descender, 1.5 ir para ascender.

Para otros aceleraciones (digamos, 0,1 g, 0,05 g, etc.) puede hacer los cálculos.

Comentarios

• No ‘ No creo que ‘ sea correcto, vea el punto A) en mi edición … si continuara sobrecompensando g (por cualquier pequeña cantidad) en cada paso, aceleraría indefinidamente .
• » 1,5 g de fuerza » probablemente no debería ‘ t estar escrito en physics.stackexchange.
• -1 Bajar escaleras es más fácil que subir incluso durante una larga distancia con velocidad constante (es decir, sin aceleración).
• g es una unidad de aceleración, no fuerza y definitivamente no es velocidad. Si ‘ viajas a una velocidad constante, entonces tienes una aceleración de cero g. Habrá una pequeña aceleración (pero no cerca de 0.5) al principio, y una pequeña aceleración en la otra dirección al final. Si empiezas en reposo y terminas en reposo, tu aceleración promedio debe ser cero.
• Si subo o bajo un tramo de escalones, la mayoría de las veces, ‘ En realidad no estoy acelerando o desacelerando, al menos, no mucho. Si fuera la aceleración lo que provocó el agotamiento, no sería más agotador subir 50 tramos de escalones que subir uno solo.