Până la sfârșitul acestei secțiuni, veți putea:

  • Explicați consumul de energie al corpului uman când este în repaus vs. atunci când se angajează în activități care fac munca utilă.
  • Calculați conversia energiei chimice din alimente în lucrări utile.

Conversia energiei la oameni

puterea

Figura 1. Energia consumată de oameni este transformată în muncă, energie termică și grăsime stocată. De departe, cea mai mare fracție merge la energia termică, deși fracția variază în funcție de tipul de activitate fizică.

Propriile noastre corpuri, ca toate organismele vii, sunt mașini de conversie a energiei. Conservarea energiei implică faptul că energia chimică stocată în alimente este transformată în muncă, energie termică și/sau stocată ca energie chimică în țesutul gras. (Vezi Figura 1.) Fracția care intră în fiecare formă depinde atât de cât mâncăm cât și de nivelul nostru de activitate fizică. Dacă mâncăm mai mult decât este necesar pentru a face treabă și pentru a ne încălzi, restul devine grăsime corporală.

Puterea consumată în repaus

Rata la care organismul folosește energia alimentară pentru a susține viața și pentru a face diferite activități se numește rata metabolică. Rata totală de conversie a energiei unei persoane în repaus se numește rata metabolică bazală (BMR) și este împărțită între diferite sisteme din corp, așa cum se arată în Tabelul 1. Cea mai mare fracție merge la ficat și splină, creierul urmând . Desigur, în timpul exercițiilor energice, consumul de energie al mușchilor scheletici și al inimii crește semnificativ. Aproximativ 75% din caloriile arse într-o zi intră în aceste funcții de bază. BMR este o funcție de vârstă, sex, greutatea corporală totală și cantitatea de masă musculară (care arde mai multe calorii decât grăsimea corporală). Sportivii au o BMR mai mare datorită acestui ultim factor.

Tabelul 1. Ratele metabolice bazale (BMR) Organ Puterea consumată în repaus (W) Consumul de oxigen (mL/min) Procentul BMR
Ficat și splină 23 67 27
Creier 16 47 19
Mușchi scheletic 15 45 18
Rinichi 9 26 10
Inima 6 17 7
Alte 16 48 19
Totaluri 85 W 250 ml/min 100%

Consumul de energie este direct proporțional cu consumul de oxigen, deoarece procesul digestiv este practic unul dintre alimentele oxidante. Putem măsura energia utilizată de oameni în timpul diferitelor activități prin măsurarea consumului de oxigen. (Vezi Figura 2.) Se produc aproximativ 20 kJ de energie pentru fiecare litru de oxigen consumat, independent de tipul de hrană. Tabelul 2 prezintă ratele consumului de energie și oxigen (energie consumată) pentru o varietate de activități.

Puterea de a face muncă utilă

Munca efectuată de o persoană este uneori numită muncă utilă, care este munca făcută în lumea exterioară, cum ar fi ridicarea greutăților. Munca utilă necesită o forță exercitată la distanță asupra lumii exterioare și, prin urmare, exclude munca internă, cum ar fi cea făcută de inimă atunci când pompează sânge. Munca utilă o face pe urcarea scărilor sau accelerarea la o alergare completă, deoarece acestea sunt realizate prin exercitarea forțelor asupra lumii exterioare. Forțele exercitate de corp sunt neconservatoare, astfel încât pot schimba energia mecanică (KE + PE) a sistemului lucrat, iar acesta este adesea scopul. Un jucător de baseball care aruncă o minge, de exemplu, mărește atât energia cinetică, cât și energia potențială a mingii.

Dacă o persoană are nevoie de mai multă energie decât consumă, cum ar fi atunci când face o muncă viguroasă, corpul trebuie să se folosească de energia chimică stocată în grăsimi. Așadar, exercițiile fizice pot fi utile în pierderea de grăsime. Cu toate acestea, cantitatea de exercițiu necesară pentru a produce o pierdere de grăsime sau pentru a arde caloriile suplimentare consumate în acea zi, poate fi mare, așa cum ilustrează exemplul 1.

Exemplul 1. Calculul pierderii în greutate din exerciții

Dacă o persoană care în mod normal necesită în medie 12.000 kJ (3000 kcal) de energie alimentară pe zi consumă 13.000 kJ pe zi, se va îngrășa constant. Cât de multă bicicletă pe zi este necesară pentru a obține acest 1000 kJ suplimentar?

Soluţie

Tabelul 2 indică faptul că 400 W sunt folosiți când mergeți cu o viteză moderată. Timpul necesar pentru a obține 1000 kJ la această rată este atunci

Discuţie

Dacă această persoană folosește mai multă energie decât consumă, corpul persoanei va obține energia necesară metabolizând grăsimea corporală. Dacă persoana folosește 13.000 kJ, dar consumă doar 12.000 kJ, atunci cantitatea de pierdere a grăsimii va fi

presupunând că conținutul energetic al grăsimilor este de 39 kJ/g.

Figura 2. Un pulsoximetru este un aparat care măsoară cantitatea de oxigen din sânge. Oximetrele pot fi utilizate pentru a determina rata metabolică a unei persoane, care este rata la care energia alimentară este convertită într-o altă formă. Astfel de măsurători pot indica nivelul de condiționare atletică, precum și anumite probleme medicale. (credit: UusiAjaja, Wikimedia Commons)

Tabelul 2. Rate de consum de energie și oxigen [1] (energie) Activitate Consumul de energie în wați Consumul de oxigen în litri O2/min
Dormit 83 0,24
Stând în repaus 120 0,34
Stând relaxat 125 0,36
Stând în clasă 210 0,60
Mers (5 km/h) 280 0,80
Ciclism (13-18 km/h) 400 1.14
Tremurând 425 1.21
Joc tenis 440 1.26
Înot în sân 475 1,36
Patinaj pe gheață (14,5 km/h) 545 1,56
Urcarea scărilor (116/min) 685 1,96
Ciclism (21 km/h) 700 2.00
Alergare de fond 740 2.12
A juca baschet 800 2.28
Ciclism, pilot profesionist 1855 5.30
Sprint 2415 6,90

Figura 3. Această scanare IRMF arată un nivel crescut de consum de energie în centrul de vedere al creierului. Aici, pacientul era rugat să recunoască fețele. (credit: NIH prin Wikimedia Commons)

Toate funcțiile corporale, de la gândire la ridicarea greutăților, necesită energie. (Vezi Figura 3.) Multe acțiuni musculare mici care însoțesc orice activitate liniștită, de la somn până la zgârierea capului, devin în cele din urmă energie termică, ca acțiuni musculare mai puțin vizibile de către inimă, plămâni și tractul digestiv.

Tremuratul, de fapt, este un răspuns involuntar la temperatura corporală scăzută, care pune mușchii unul împotriva celuilalt pentru a produce energie termică în corp (și nu face nici o muncă). Rinichii și ficatul consumă o cantitate surprinzătoare de energie, dar cea mai mare surpriză este că 25% din toată energia consumată de organism este utilizată pentru a menține potențialele electrice în toate celulele vii. (Celulele nervoase folosesc acest potențial electric în impulsurile nervoase.) Această energie bioelectrică devine în cele din urmă cea mai mare parte energie termică, dar unele sunt utilizate pentru a alimenta procesele chimice, cum ar fi rinichii și ficatul, și pentru producerea de grăsimi.

Rezumatul secțiunii

  • Corpul uman transformă energia stocată în alimente în muncă, energie termică și/sau energie chimică stocată în țesutul gras.
  • Rata la care organismul folosește energia alimentară pentru a susține viața și pentru a face diferite activități se numește rata metabolică, iar rata corespunzătoare atunci când este în repaus se numește rata metabolică bazală (BMR)
  • Energia inclusă în rata metabolică bazală este împărțită între diferite sisteme din corp, cea mai mare fracție mergând la ficat și splină, iar creierul urmează.
  • Aproximativ 75% din caloriile alimentare sunt folosite pentru a susține funcțiile corpului de bază incluse în rata metabolică bazală.
  • Consumul de energie al oamenilor în timpul diferitelor activități poate fi determinat prin măsurarea consumului lor de oxigen, deoarece procesul digestiv este practic unul dintre alimentele oxidante.

Întrebări conceptuale

  1. Explicați de ce este mai ușor să urcați un munte pe o potecă în zig-zag, mai degrabă decât unul drept în sus. Creșterea energiei potențiale gravitaționale este aceeași în ambele cazuri? Consumul dvs. de energie este același în ambele?
  2. Lucrați în lumea exterioară când vă frecați mâinile pentru a le încălzi? Care este eficiența acestei activități?
  3. Tremurul este un răspuns involuntar la scăderea temperaturii corpului. Care este eficiența corpului atunci când tremură și este o valoare dorită?
  4. Discutați despre eficacitatea relativă a dietei și a exercițiilor fizice în pierderea în greutate, menționând că majoritatea activităților sportive consumă energie alimentară la o rată de 400 până la 500 W, în timp ce o singură cană de iaurt poate conține 1360 kJ (325 kcal). Mai exact, este probabil ca exercițiul fizic singur să fie suficient pentru a pierde în greutate? Poate doriți să luați în considerare faptul că exercițiile fizice regulate pot crește rata metabolică, în timp ce o dietă prelungită o poate reduce.

Probleme și exerciții

  1. (a) Cât timp puteți urca rapid scările (116/min) pe 93,0 kcal de energie într-un strat de 10,0 g de unt? (b) Câte zboruri este dacă fiecare zbor are 16 scări?
  2. (a) Care este puterea de putere în wați și cai a unui sprinter de 70,0 kg care accelerează de la repaus la 10,0 m/s în 3,00 s? (b) Având în vedere cantitatea de energie generată, credeți că un atlet bine antrenat ar putea face acest lucru în mod repetat pentru perioade lungi de timp?
  3. Calculați puterea de putere în wați și cai putere a unui shot-putter care durează 1,20 s pentru a accelera împușcătura de 7,27 kg de la repaus la 14,0 m/s, în timp ce o ridicați cu 0,800 m. (Nu includeți puterea produsă pentru a-i accelera corpul.)

Figura 4. Puterea la Dornoch Highland Gathering în 2007. (credit: John Haslam, Flickr)

Figura 5. Daedalus 88 în zbor. (credit: fotografie NASA de Beasley)

Figura 7. Piramidele antice au fost construite probabil folosind rampe ca mașini simple. (credit: Franck Monnier, Wikimedia Commons)

Glosar

rata metabolica: rata la care organismul folosește energia alimentară pentru a susține viața și pentru a face diferite activități

rata metabolică bazală: rata totală de conversie a energiei unei persoane în repaus

lucru util: munca efectuată pe un sistem extern

Soluții selectate la probleme și exerciții

1. (a) 9,5 min; (b) 69 de trepte de scări

3 641 W, 0,860 CP

9. (a) 3,21 × 104 N; (b) 2,35 × 10 3 N; (c) Raportul dintre forța netă și greutatea persoanei este de 41,0 în partea (a); 3.00 în partea (b)

11. (a) 108 kJ; (b) 599 W

13. (a) 144 J; (b) 288 W

15. (a) 2,50 × 10 12 J; (b) 2,52%; (c) 1,4 × 10 4 kg (14 tone metrice)