I když utrácíte trochu energie těla, abyste udrželi knihu zvednutou, je důležité ji odlišit od fyzické námahy. Jsou propojeny, ale nejsou stejné. Fyzické úsilí závisí nejen na tom, kolik energie je utraceno, ale také na tom, jak jak je energie utracena.

Držení knihy v natažené ruce vyžaduje hodně fyzické námahy, ale to nezabere tolik energie.

• V ideálním případě pokud se vám podaří držet paži dokonale stabilní a vaše svalové buňky dokázaly zůstat napnuté, aniž by vyžadovaly přísun energie by vůbec nebyla vynaložena žádná energie, protože by se nepohnula žádná vzdálenost.

• V reálných scénářích, nicméně trávíte (chemickou) energii uloženou v těle, ale kde je utracena? Utrácí se na buněčné úrovni. Svaly jsou tvořeny vlákny, která se mohou navzájem klouzat, tato vlákna jsou spojena molekulami zvanými myosin, které spotřebovávají energii k pohybu po vláknech, ale v časových intervalech se oddělují, aby je mohly klouzat. Když držíte paži v poloze, myosiny drží vlákna v poloze, ale když jeden z nich uvolní další myosiny, musí lokálně vynahradit mírnou relaxaci. Chemická energie uložená ve vašem těle je buňkou uvolňována jako práce i jako teplo. *

V ideálním i reálném scénáři mluvíme o fyzické definici energie . Z vaší úvahy ignorujete pohyb svalových buněk, takže uvažujete o ideálním případě. Pečlivá analýza případu skutečného vede k závěru, že se pracuje a uvolňuje se teplo, i když se samotné rameno nepohybuje.

* Nakonec se práce prováděná buňkami ve skutečnosti provádí na jiných buňkách, které se v důsledku tření a neelastice nakonec rozptýlí do tepla. Takže veškerá energie, kterou utratíte, se investuje do udržování svalového napětí a nakonec se rozptýlí jako teplo.

Jedná se o to, jak fungují vaše svaly - jedná se o soubor malých prvků, které spouštěné signálem z nervů využívají chemickou energii k přechodu z méně energeticky dlouhého stavu do energeticky kratšího. Přesto to zjevně není trvalé a dochází k spontánnímu návratu, který musí být kompenzován jiným spouštěčem. Tímto způsobem existuje řada streches a release, které v souhrnu dávají malé oscilace, které vytvářejí makroskopickou práci na váze.

Možná je analogie na místě. Pojďme knihu podržet pomocí elektromagnetu (řekněme, že pod ni položíme kousek oceli). Pokud by cívky byly vyrobeny ze supravodivého materiálu, nebylo by zapotřebí žádného energetického vstupu k udržení síly polohy / pole. Pokud však použijeme obyčejný vodič, ohmické ztráty v cívce musí být vyrovnány externě dodávanou elektrickou energií.

Důvodem je, že musíte utratit energii, abyste udrželi svaly v tahu .

První věc, kterou potřebujete vědět, je, že práce $ W = F \ Delta x $ je přenos energie mezi objekty. Když knihu položíte na stůl, nedělá se s ní žádná práce, protože nedochází k žádnému pohybu.

Když je vaše paže sval natažená, neustále však spotřebovává energii. udržet tento stav, abyste se cítili velmi rychle unavení. Tato energie pochází z chemické energie ve vašem těle a většina z nich se přemění na teplo a ztratí se do okolí. V této situaci se do knihy nepřenáší žádná energie, takže se nic nedělá.

Rozdílnou spotřebu energie můžete cítit, když je vaše paže natažená v jiném úhlu. Konkrétním případem je, že si knihu položíte na nohu, když sedíte na židli, takže váš sval je uvolněný a vynaložená energie je menší.

Existuje také speciální druh svalu, hladký sval, vyžaduje jen velmi málo energie k udržení jeho stavu aby jej mohl vždy udržovat napnutý a nebudete mít pneumatiku:

Tonický hladký sval se pomalu stahuje a uvolňuje a vykazuje udržování síly, jako je hladké svalstvo cév. Údržba síly je udržování kontrakce po delší dobu s malým využitím energie.

Po uzavření smlouvy se střídají sarkomery, struktura, která ve skutečnosti dělá práci ve svalu. Pouze třetina z nich je v daném okamžiku zasnoubená.

Je to proto, že sarkoméra pumpuje krev, jak se stahuje a uvolňuje, což jí umožňuje získat energii potřebnou k tomu, aby mohla svou práci vykonávat po delší dobu. Dočasná, nadlidská síla, kterou někteří lidé zažívají, může být jakýmsi přepsáním této normální úrovně zapojení.

Tento systém nemá jiný mechanismus pro udržení pozice, takže při pokusu o totéž platí udržovat objekt stabilně.

Pokud je ale sval stahován po velmi dlouhou dobu a energie v čerpané krvi se stává nedostatečnou, sarkomery ve skutečnosti uvíznou ve své kontrakční poloze. Tento stav nevyžaduje energii a sarkomér zůstane kontrahovaný, dokud se zátěž nezastaví a neobnoví se normální oběh.

Věřím, že se jedná o mechanismus přežití, který umožňuje zvířeti vydržet, i když by zátěž jinak by byl ohromující.

Může také způsobit ztuhlost svalů, když je narušen oběh svalů, což je velmi častý stav, jak lidé stárnou.

Velký rozdíl mezi držením knihy v ruce (držením v dlani) a zvednutím knihy položením na stůl je ten, že první rovnovážná poloha je dynamická, zatímco kniha na stole je ve statické rovnováze.

Vysvětlím to kvalitativně. Situaci, ve které držíte knihu, můžete porovnat se situací, ve které se kniha drží, neustálým bombardováním zespodu částicemi, řekněme kuličkami. V krajním případě bombardování knihy pouze jedním mramorem najednou kniha trochu spadne, mramor ji zasáhne zespodu a tím ji pošle zpět nahoru. Mramor v procesu ztrácí energii, což je dáno knize (za předpokladu elastické srážky). Kniha opět padá zpět a další mramor zasáhne knihu a znovu ji pošle zpět atd. Můžete použít velké kuličky, malé kuličky, dát jim různé rychlosti a měnit dobu mezi kterou kuličky do knihy zasáhnou. Jejich nejlepší kombinace udrží knihu v nejlepší kvazistabilní poloze. Ještě lepší by bylo použít mnoho kuliček a zasáhnout knihu na různých místech.

Takže pokaždé, když mramor narazí na knihu, ztratí část své energie, která je dána neustále padající knize a díky níž vypadá, že je kniha v rovnováze. To znamená, dynamická rovnováha.

Kde je tedy spojení se svaly, které vedou knihu? Myslím, že je to snadno vidět, i když moc nerozumím fungování svalů. Všechny svalové buňky lze srovnávat s kuličkami a během pádu dávají knize neustále pohyb nahoru. Relaxují, napínají se, uvolňují se, napínají atd. Pád a vzestupná změna jsou příliš malé na to, aby si toho všimli, takže kniha vypadá ustáleně. To znamená dynamický ustálený stav. Samozřejmě neexistuje žádné tření v případě kuliček, které získávají energii z „malých kánonů“.

Analogií je plovoucí vrtulník.

Pokud je statická, s vrtulníkem se nepracuje.

Ale spotřebovává to plyn.

Zvažte analogii,

Po STÁNÍ se po určitou dobu unavíme, aniž bychom dělali jakoukoli práci *. Důvod je stejný jako důvod, proč neděláme žádnou práci, která by nad naším objektem neudělala žádný předmět. hlavy, ale tento případ je snazší pochopit,

když stojíme, skutečně odoláváme tendenci pádu na zem, svaly se drží struktury našeho těla, abychom se na zemi nezhroutili jako nějaký neživý tvor,

tyto svaly mají vlákna, která se sama proškrtila, což vyžaduje energii,

Podobně když něco držíme nad hlavou, děláme totéž, odoláváme že kolabující tendence, která způsobuje prodloužení svalů, které vyžaduje energii.

Když fyzik hovoří o práci, používá slovo v technickém smyslu rovnice, kterou citujete. Biologovi by však práce mohla být definována jako energie vynaložená na provedení úkolu. Ve vašem příkladu paže přirozeně nezůstane v popsané poloze. Vaše tělo (hlavně svaly) musí vydávat energii, aby drželo paži (a knihu) ve stanovené poloze, nepodporované ničím jiným než vaší vlastní fyziologií.

Takže podle definice biologa vaše svaly dělají práci, aby držely knihu a vaši paži (svalová vlákna se stahují a uvolňují na základě řady chemických procesů na buněčné úrovni). Ale podle technické definice fyzika se nedělá žádná práce.

Podle mého skromného názoru si opravdu nemyslím, že jde o problém, který vyžaduje tolik vysvětlení. Musíte pochopit, že „energie“, kterou ve fyzice znáte, má absolutně, tím myslím absolutně nic společného s energií, kterou vydávají vaše tělesné buňky. Ve skutečnosti můžete vydávat energii při fyzické (fyzikální) práci, ale koho to zajímá! Fyzika pracuje pouze s tím, co definovala jako „ práce “, a pokud takovou práci neuděláte, věřte mi, že jste z hlediska fyziky žádnou práci neudělali. Definice práce ve fyzice by vám již řekla, že nezávisí na tom, co cítíte nebo co dělají vaše buňky. Je to jen síla a vzdálenost . Jste vyčerpaní, protože jste vyšplhali po schodech, i když by fyzika řekla, že jste zvýšili svou potenciální energii. Není to tedy rozpor! Proč se cítíte slabí, když jste zvýšili svou potenciální energii? Závěrem je: fyzická práce a ta, o které si myslíte, že je ve skutečnosti skutečná, jsou úplně jiné. Zatímco to první vynalezli fyzici, to druhé se děje ve vašich buňkách, o které se nestaráme, pokud jde o fyziku.

$ F = ma $ znamená, že každá síla působí na hmotu a vytváří zrychlení. Dobře. Zrychlení je $ a = \ frac {\ Delta v} {\ Delta t} $ . Pokud vložíte tento $ \ Delta v $ do $ {\ frac {1} {2} m (\ Delta v) ^ 2} $ objevíte energii, která byla nezbytná k tomu, aby se tato hmota zrychlila. Protože energie není ani vytvořena, ani zničena, je to energie spálená tím, kdo použil sílu! Jeho potenciální energie (např. Z jídla) se stala kinetickou energií zrychleného těla. A co držet paži 5 kg? Žádná energie? Samozřejmě trávíte energii. Je to stejné jako výše: použijete sílu, stejnou a opačnou ke gravitační síle, takže předmět neklesne a nezvedne se, a pokud použijete sílu, z výše uvedeného důvodu utratíte energii. Nyní by bylo možné namítnout, že v tomto případě nedochází k žádné akceleraci. Pokud by neexistovalo žádné zrychlení (naproti gravitačnímu zrychlení $ g $ ), objekt by spadl! V sázce jsou dvě protichůdná zrychlení (od dvou protichůdných sil) ( $ \ mathbf {F} = - \ mathbf {F_g} \ Rightarrow \ mathbf {a} = \ mathbf {-g } $ ). Který zrušit. Ale pokud zruší, existují oba. Takže ano, utrácíte energii za to, že držíte předmět vzhůru: nechat existovat toto proti-zrychlení. Abyste zadrželi hmotu, potřebujete energii, ale nedělá se žádná práce, pokud je objekt v klidu na vaší ruce, protože jeho kinetická energie se NEMĚNÍ. Pokud zastavíte padající tělo rukou, způsobíte záporný $ \ Delta E_k $ (uděláte s ním negativní práci), ale jakmile je zastaven, již nebude fungovat, energie je jednoduše zrušit $ F_g $ a udržet tělo v klidu.

Energie se vynakládá na její udržení na místě. Gravitace Země působí silou dolů, kniha se zrychluje dolů gravitační silou.

Na ruku a paži působí síla, které je třeba odolat, a tedy vynaložit energii.

Rameno a kniha nejsou uzavřeným systémem.