5.7. робота і потужність людини. ергометри
Робота і потужність, які характерні для людини, залежать від багатьох факторів. При короткочасних зусиллях людина може розвивати потужність порядку кількох кіловат. Наприклад, якщо спортсмен масою 70 кг підстрибує так, що його центр мас піднімається на 1 м (по відношенню до нормального стійці), а фаза відштовхування триває 0,2 с, то він розвиває потужність близько 3,5 кВт.
При ходьбі з постійною швидкістю по рівному місцю людина також здійснює роботу, хоча його кінетична енергія не змінюється. В даному випадку енергія витрачається головним чином на періодичне підняття центру мас тіла і на прискорення або уповільнення ніг. Частина цієї енергії йде на нагрівання організму за рахунок «опору» його частин і нагрівання навколишнього середовища. Наприклад, людина масою 70 кг при ходьбі зі швидкістю 5 км / год розвиває потужність близько 60 Вт. Із зростанням швидкості ця потужність швидко збільшується, досягаючи 200 Вт при швидкості 7 км / год. При їзді на велосипеді положення центру мас людини змінюється набагато менше, ніж при ходьбі, і прискорення ніг теж менше. Тому потужність, що витрачається при їзді на велосипеді, значно менше: 30 Вт при швидкості 9 км / год, 120 Вт при 18 км / ч.
Робота, що здійснюється м'язами при виконанні активних рухів, називається динамічною. Ця робота пов'язана з переміщенням частин тіла. У тому випадку, коли людина зберігає свою позу незмінною, такі переміщення відсутні, а при відсутності переміщення робота всіх сил дорівнює нулю. Тому може здатися, що людина, що стоїть нерухомо, не витрачає енергію. Однак досвід показує, що збереження нерухомої пози протягом тривалого часу викликає значне стомлення. Ще більшу втому відчуває людина, що тримає у витягнутій руці гантель. Сидяча людина також відчуває втому м'язів спини і поперекової області, якщо на плечі йому помістити вантаж. Причина втоми (а значить і енерговитрат) при статичних навантаженнях полягає в тому, що спокій в даному випадку є удаваним. Внаслідок біологічної активності м'язів у людини завжди спостерігається фізіологічний тремор (лат. Tremor - тремтіння). При цьому відбуваються непомітні оку дуже дрібні і дуже часті скорочення і розслаблення м'язів. Отже, м'язи постійно здійснюють роботу (таку роботу називають статичної) і витрачають запас енергії. Сила м'язів падає і потрібно перерву для її відновлення. Цим і пояснюється те, що стоїть людина час від часу переносить вагу тіла з однієї ноги на іншу.
У спортивній термінології використовуються такі поняття:
- ритм роботи - певна послідовність чергування робочих операцій і їх окремих елементів в процесі діяльності;
- темп роботи - число послідовно виконуваних операцій в одиницю часу.
При цьому потужність часто визначають як темп, в якому виконується робота або витрачається енергія.
Ергометри. Для вимірювання роботи людини застосовують прилади, які називаються ергометри. Наприклад, велоергометр призначений для вимірювання корисної роботи і потужності при їзді на велосипеді. Для цього через обід колеса, яке обертає випробуваний, перекинута сталева стрічка. Сила тертя між стрічкою і ободом колеса вимірюється динамометром. Вся робота випробуваного витрачається на подолання тертя. Помноживши довжину окружності колеса на силу тертя, знаходять роботу, зроблену при кожному оберті. Знаючи число обертів і час випробування, визначають повну роботу і середню потужність.
Енергетика бігу. Припустимо, що бігун пересувається з постійною швидкістю по горизонтальній поверхні. Робота, яка при цьому відбувається, зводиться до подолання тертя і опору повітря. При бігу дію тертя невелика, але, тим не менш, біг з постійною швидкістю пов'язаний зі значними витратами енергії. Енергія витрачається на рух тіла бігуна вгору-вниз і на відштовхування ногами від грунту. Крім того, тіло бігуна перетворює енергію в теплоту. Додаткова причина втрати енергії полягає в тому, що ноги бігуна, маса яких становить приблизно 40 \% від маси тіла (див. Табл. 5.1), в процесі бігу постійно прискорюються і гальмуються. Тому робота, виконувана м'язами ніг для підтримки руху тіла вперед з постійною швидкістю, велика.
У першому наближенні можна вважати, що робота, виконувана м'язами бігуна за один крок, пропорційна кінетичної енергії, що повідомляється тій нозі, яка після відштовхування від землі виноситься вперед: А
mv2 (т - маса ноги). У той же час ця робота визначається формулою А = F # 8729; d, де F - сила м'язів, d - відстань, на якому при кожному кроці м'язи виконують роботу. Вважається, що сила м'язів (F) пропорційна квадрату характеристичної довжини (L2), а маса (т) пропорційна кубу характеристичної довжини (L3). Крім того, відстань d пропорційно L. Отже,
Таким чином, можна вважати, що швидкість, яку може підтримувати бігун, не залежить від його розмірів. Орієнтовні значення швидкостей, які можуть розвивати людина і деякі тварини, представлені в табл. 5.3.
Люди - неважливі бігуни. Це пояснюється тим, що маса ніг людини становить близько 40 \% маси тіла і вимагає значних витрат енергії при кожному гальмуванні і розгоні. Найшвидші тварини мають худі ноги, а основна маса зосереджена в тілі. Великі м'язи ніг у деяких тварин (лев, тигр, великі кішки) пристосовані для стрибків, а не для швидкого бігу.
Швидкості тварин і людини
Людина обмежена в величині виробленої їм роботи не тільки необхідної для цього енергією, але і швидкістю її використання, т. Е. Потужністю. Наприклад, людина може пройти велику відстань по сходах, перш ніж буде змушений зупинитися через те, що витратив занадто багато енергії. Однак, при підйомі в високому темпі, він може впасти в знемозі, подолавши лише невелику частину шляху. У цьому випадку обмеження ставить величина витрачається потужності, т. Е. Швидкості, з якою людина за рахунок біохімічних процесів перетворює хімічну енергію їжі в механічну роботу. Та обставина, що живий організм часто функціонує на межі своїх граничних можливостей, підтверджується безліччю випадків, коли спортсмени на змаганнях розривають м'язи, зв'язки, сухожилля.
Витрата енергії людиною при різній діяльності (орієнтовні значення)
Потужність енерговитрат, Вт
Підготовка до занять
Практичні заняття (лабораторні роботи)
Читання про себе
Ходьба по рівній дорозі зі швидкістю 5 км / год
Потужність енерговитрат людини з масою 70 кг при різних видах діяльності і при виконанні фізичних вправі представлена в табл. 5.4 і 5.5
Витрата енергії людиною при виконанні фізичних вправ в групі лікувальної фізкультури