Вимірювання витрат енергії

Біоенергетика Енергія існує у різних формах: теплотворна, механічна, електрична, хімічна, промениста, ядерна. Біоенергетика - це розділ біології, що стосується енергії та її перетворень у живих істотах.

Усі закони, що регулюють виробництво, перетворення та передачу енергії, застосовуються до живої речовини, будь то тварина чи рослина. Однак енергетичний обмін у тварин має особливість відбуватися в обмеженому діапазоні температур.

Основні розміри Величини мають розміри, що є вираженням їх основної сутності (якості) та одиниці, що виражають їх розмір, їх амплітуду (кількість). Основними розмірами, що використовуються в механіці, є: час, маса, відстань. В електромагнетизмі додається розмірність - електричний заряд.

Розміри складених Розміри, крім маси, часу та відстані, є вимірами, які можна отримати (скласти) з цих основних ментальних вимірів. Наприклад: поверхня має розмірність квадрата відстані (l 2), об’єм має розмір куба відстані (l 3), швидкість має розмір відстані, поділений на час (l/t ).

Складові розміри (продовження) Деякі виміри складаються з розмірів, які самі по собі складаються. Наприклад, прискорення, яке має розмір швидкості, поділений на час (v/t). Отже, прискорення має розмір відстані, поділеної на квадрат часу: v/t = (l/t)/t = l/t 2.

Складові розміри (продовження) На практиці цікаво знати розмірність сили, роботи чи потужності: сила = маса. Робота прискорення = сила. Потужність відстані = робота/час. Іноді цікаво знати основи розмірів сила, робота, потужність: сила = маса. прискорення = кг. (л/т 2) = кг. л/т 2 робота = сила. відстань = л. (кг. л/т 2) = кг. л 2/т 2 потужність = робота/час = (кг.л 2/т 2)/т = кг.л 2/т 3

Кількості та безрозмірні числа Кути є безрозмірними величинами, оскільки вони відповідають відношенню двох довжин (дуга/радіус). Деякі числа, найвідомішим з яких є число Pi (3.1416), є безрозмірними. Безрозмірні числа можна побудувати із співвідношення величин, що мають однакові розміри. Тому безрозмірні числа не залежать від використовуваної одиничної системи. Число Пі (3,14159) відповідає відношенню окружності кола та його діаметра.

Міжнародна система (СІ) Одиницями виміру, що використовуються для наукових вимірювань, є (або повинні бути) одиницями Міжнародної системи (скорочено СІ). Ці одиниці засновані на метричній системі, прийнятій у Франції в 1795 році. Три основні одиниці СІ: одиниця довжини - метр (м), одиниця часу - секунда (и), одиниця маси - кілограм. (кг). У Міжнародній системі всі одиниці відповідають добутку і співвідношенню цих основних одиниць або одиниць, що випливають з них, без необхідності проходити через використання констант.

Деякі константи, які слід знати На практиці цікаво знати деякі константи, які дозволяють перейти від застарілої, але все ще використовуваної одиничної системи до Міжнародної системи. Зокрема: калорія (як і раніше широко застосовувана в дієтології) відповідає 4,185 джоулю; кілограмова сила, що відповідає силі тяжіння на масу 1 кг, часто використовується як одиниця сили. 1 кгс відповідає 9,81 ньютону.

Енергетична теплова робота Джеймс Прескотт Джоуль 1818-1889

Робота Для фізика робота є продуктом сили на зміщення точки її прикладання. Для математика механічна робота дорівнює скалярному добутку вектора сили та вектора переміщення. Одиницею роботи є джоуль (1 Дж), рівний добутку одиниці сили (1 Н) на одиницю переміщення (1 м). Кілограм-метр - стара одиниця роботи вартістю 9,81 джоуля (1 кгм = 9,81 Н х 1 м = 9,81 Нм = 9,81 Дж).

FDF D. cos (a) позитивна робота (двигун) позитивна робота (двигун) D a Робота дорівнює скалярному добутку вектора сили на вектор переміщення FD a FD D. cos (a) = 0 нульової роботи D . cos (a) негативна робота (гальмування)

Позитивна робота та негативна робота Рухова робота (позитивна робота) відповідає ситуаціям, коли скорочення супроводжується скороченням м’язів. Гальмівна робота (негативна робота) відповідає ситуаціям, коли скорочення супроводжується подовженням м’язів. Таке гальмування не дозволяє відновлювати енергію, а навпаки супроводжується збільшенням енерговитрат.

Роботи, проведені під час підйому на Ейфелеву вежу Підйом на 300 метрів Ейфелевої вежі являє собою лише низькі витрати енергії. Для людини 70 кг маси тіла це представляє роботу приблизно 200 кДж: Робота = сила в ньютонах x переміщення в метрах = Вага в ньютонах x 300 м = (70 x 9,81) x 300 = 687 Н x 300 = 206 100 Дж = 206 кДж

Робота, яка виконується під час вправ з обтяженням. Будь-який винятковий предмет, настільки сильний, щоб під час руху жиму лежачи міг підняти вантаж 100 кг 10 разів. Як перше наближення, висота навантаження становить близько 50 см і відповідає роботі, що дорівнює: Робота висоти = 100 х 9,81 Н х 0,5 м = 490 Дж Робота, виконана під час серії 10 = 4,9 кДж протягом 10 наборів 10 = 49 кДж = 12 ккал

Тепло Тривалий час тепло вважалося різновидом рідини. Ця рідина, яку тоді називали калорійною, повинна була бути невидимою і неймовірною (без ваги). Вчені XIX століття, такі як німецький лікар Роберт Майєр та англійський фізик Джеймс Джоуль, продемонстрували, що механічна енергія може перетворюватися в тепло, а тепла навпаки - в механічну.

Тепло і температура Частинки, що складають тіло, не нерухомі, а збуджуються в усіх напрямках. Тепло - це форма енергії, яка насправді є кінетичною енергією частинок. Температура тіла набагато вища, оскільки хвилювання, тобто кінетична енергія частинок, що її складають, є важливою.

Підвищення температури Усі роботи можна перетворити на тепло: зменшення потенційної енергії дорівнює збільшенню калорійності енергії системи.

Калорія Калорія - це кількість енергії, необхідна для збільшення на один градус в одному грамі води при 25 С (25-26 С). Джоуль, продемонстрований серією експериментів з перетворення роботи в тепло, що відношення роботи, що подається, до кількості виробленого тепла є постійним, що називається механічним еквівалентом тепла, рівним 4,185 джоулю на калорію.

Малі та великі калорії Калорія - це одиниця виміру, яка все ще часто використовується в дієтології. Однак слід зазначити, що калорійність дієт (наприклад, дієта з 2000 калорій) насправді відповідає великій калорії (1 кал), яка коштує 1000 малих калорій: 1 кал = 1000 кал = 1 ккал

Хімічна енергія Тепло + Робоче тепло Загальне тепло

Потужність Джеймса Ватта 1736-1819

Потужність Потужність визначається як обсяг роботи, виконаної за певний час. Потужність - це частка роботи, виконаної за час, необхідний для її виконання. Одиниця потужності, отже, дорівнює частці одиниць роботи за одиницями часу. Одиницею роботи, яка є джоулем, одиницею потужності в міжнародній системі буде джоуль/секунда або 1 Вт (1 Вт).

Потужність дорівнює добутку сили на швидкість: Потужність = робота/час = сила х переміщення/час = сила х швидкість В електриці потужність 1 Вт відповідає потужності струму 1 ампер при різниці потенціалу 1 вольт: 1 ват = 1А х 1В

Застосування до ергометричних велосипедів

A B За відсутності втрат (через тертя в кривошипі, ланцюзі та шестерні.), Потужність, що виробляється суб'єктом в A, дорівнює потужності, що розсіюється гальмівною системою в B

C. V = C. VAABBAB Потужність, що виробляється в A, дорівнює добутку крутного моменту CA, що діє на кривошип і на кутову швидкість кривошипа V A. Потужність, що розсіюється в B, дорівнює добутку гальмівного моменту CB чиниться на маховик (колесо) і кутова швидкість VB колеса.

C. V = C. VAABBAB У сучасних електронних велосипедах потужність, що виробляється в A, не залежить від частоти обертання педалей, оскільки система адаптує гальмівний момент CB так, що виріб C A. VA (дорівнює C B. VB) дорівнює необхідне значення.

Ергометр типу Монарк (фон Добельн, 1954) AB Зміщення радіуса M Сила Беручи до уваги радіус (0,26 м) кількості зубців кривошипа (52) і шестерні (14), кожна точка М колеса рухається на 6, 11 м для кожного обертання нижнього кронштейна. Якщо сила, що діє в точці М, дорівнює х кгс, обстежуваний виконує 6,11х кг м за оберт кривошипа.

Зміщення = 6,11 м 1 оберт Сила ABM = x кгс З урахуванням радіуса (0,26 м) кількості зубів картера (52) і шестерні (14) кожна точка М колеса рухається на 6,11 м для кожен оборот нижньої дужки. Якщо сила, що діє в точці М, дорівнює ефектурі 6,11x кг.м за обертання педалі x кгс, предмет

Переміщення = n.6.11m n обертів/хв A B M Сила = x kgf Якщо обстежуваний здійснює педалі з n обертами в хвилину, кожну хвилину він буде виробляти роботу, рівну 6.11n x kgm. Тому потужність вправи становить 6,11 н х кгм/хв.

Витіснення = n.6.11m n обертів/хв A B M Сила = x kgf Або 1 kg.m/min дорівнює 1 ват/6.11. Отже, потужність, вироблена на ергометрі, розвиток якого дорівнює 6,11 м, дорівнює: Потужність у ватах = Потужність у км/хв/6,11 = 6,11. добуток кількості обертів в хвилину (n) на гальмівну силу в кгс (x).

Робота та витрати енергії Вимірювання лише роботи не дозволяє оцінити витрати енергії. Однак оцінку витрат енергії можна зробити, якщо зробити припущення щодо виходу енергії (звіт про роботу з витрат енергії). Ефективність вправи на підйом по сходах становить приблизно 25%.

Валова механічна ефективність R = витрачена робоча енергія Для строго аеробних вправ витрачену енергію можна оцінити, припускаючи, що кожен спожитий літр кисню відповідає енергетичним витратам, рівним 20 кДж. R = робота (kj) 20 kj.vo2 (L)

Чистий механічний ККД R = збільшення витрат енергії за рахунок роботи Чистий механічний ККД розраховується з урахуванням витрат енергії в стані спокою. R = робота (kj) 20 kj (загальний VO2 - VO2 відпочинок)

Статична робота та витрата енергії Статична робота відповідає ситуаціям, коли скорочення відбувається за відсутності змін довжини м’язів (ізометричне скорочення). Для фізика не може бути роботи в ізометричному стані (зміщення точки прикладання сили дорівнює нулю, робота теж). Однак фізіолог вважає, що існує фізіологічна робота, оскільки ізометричне скорочення супроводжується збільшенням виробництва тепла і, як наслідок, витрат енергії.

Статична робота та енергетичні витрати Чим вище підтримувана сила, тим більші енерговитрати. Чим довше підтримується міцність, тим більші витрати енергії. Отже, статична робота кількісно визначається добутком сили та часу (інтеграл кривої сили як функція часу) і, отже, має розмірність імпульсу. Вартість статичної роботи менша, ніж вартість динамічної вправи тієї ж тривалості та однакового рівня сили, незалежно від того, чи є ця вправа руховою чи гальмівною.

Вимірювання витрат енергії - PDF Завантажити безкоштовно