Работа и мощность организмов

Работа и мощность организмов. Живые организмы способны выполнять значительную работу. Издавна люди использовали мускульную силу животных. Сила мышц животных и человека довольно велика.

Об огромных возможностях мышц свидетельствуют такие примеры:

Спортсмен может бежать со скоростью 15—18 км/час в течение 1—2 часов. При езде на велосипеде человек за минуту выполняет работу, равную 12 000 дж на протяжении многих часов. Леонид Жаботинский штангу массой 217,5 кг поднял за 1 сек на высоту 2 м, совершив при этом работу, равную примерно 4350 дж, т. е. развил мощность около 4350 вт. Это можно сравнить с мощностью малолитражного автомобиля.

При обыкновенной ходьбе по ровному месту, при каждом двойном шаге человек массой 65 кг выполняет следующую работу:

Занесение вперед свободной ноги - 2,8 дж
Горизонтальное перемещение центра тяжести - 18,12 дж
Вертикальное перемещение центра тяжести - 39,52 дж
Всего - 60,44 дж

Как видно из приведенных данных, самой большой затраты работы требует вертикальное перемещение центра тяжести. Освобождение энергии при опускании центра тяжести практически не используется и приводит в большинстве случаев только к выделению тепла. Исследования физиолога А. А. Ухтомского показали, что работа, выполняемая организмом при ходьбе, не изменяется, если человек делает от 110 до 150 шагов в минуту, а при повышении скорости быстро возрастает и при 180 шагах в минуту оказывается большей, чем при беге в 210—220 шагов в минуту. Таким образом, медленный бег энергетически более выгоден, чем быстрая ходьба.

Верхний предел мощности человеческого организма обусловлен следующими соображениями. Любая мышца действует с ограниченной величиной силы, зависящей от ее поперечного размера. Кроме того, скорость сокращения тоже ограничена рядом физиологических особенностей. Ограничения в силе и времени накладываются и на мощность. Необходимо отметить, что энергия мышц может быть аккумулирована, «накоплена», и за счет запасенной энергии мышца способна развивать значительные усилия. Так, мы размахиваемся перед ударом или разбегаемся перед прыжком.

До сих пор мы говорили только о силе и времени. Теперь уместно напомнить, что в формулу мощности, кроме силы и времени, входит еще и расстояние (путь), на котором действует сила. Чем этот путь больше, тем меньше сила, действующая при одной и той же мощности. Поэтому, чем меньше упругие перемещения, тем больше сила, действующая на тело. Это обстоятельство объясняет многие биологические и физиологические закономерности в природе. Ударные орудия животных (копыта, бивни, рога), как правило, обладают высокой твердостью. Удар по твердым частям тела (череп, суставы) значительно болезненнее, чем по мягким тканям. Удлинение пути торможения ослабляет силу удара — сгибание ног при приземлении после прыжка, упругий волосяной покров на подошвах прыгательных конечностей животных и т. д.

Укажем далее на биологическое значение распределения энергии между взаимодействующими телами. На основании закона сохранения количества движения и формулы кинетической энергии можно показать, что не только скорости, но и приобретенные энергии обратно пропорциональны массам взаимодействующих тел.

Поэтому при ходьбе затрачиваемая человеком энергия практически полностью расходуется на перемещение тела (опорная масса — земля — очень велика, и, следовательно, приобретенная ею скорость, а значит и энергия, практически равна нулю). Иначе обстоит дело, если человек плавает: движения рук и ног смещают назад несколько десятков килограммов воды; на это расходуется приблизительно столько же энергии, сколько на сообщение скорости самому пловцу. Еще менее выгодно используется энергия при полете—здесь опорное тело обладает совсем малой массой.

Интересно, что в одних и тех же условиях человеческий организм может работать с различными коэффициентами полезного действия: чем больше масса груза, поднимаемого человеком (предполагается, что человек поднимается вместе с грузом, неся его на себе), по сравнению с массой человека, тем выше к. п. д. Так, если человек массой 64 кг поднимает на некоторую высоту h груз массой 24 кг, то к. п. д. будет равен

если поднимаемый груз равен 12 кг, то к. п. д.

наконец, если груз равен 1 кг, то

Следовательно, чем меньше масса полезного груза по сравнению с массой тела, тем меньше коэффициент использования энергии организма.

Мощность, развиваемая живыми организмами, может изменяться в весьма широких пределах. Рыбы и водные млекопитающие экономно расходуют энергию. Так, например, кит длиной 27 м и массой 122 000 кг при плавании под водой со скоростью 8,5 км/час развивает мощность всего около 5 квт, а при скорости 17 км/час — около 40 квт. Вследствие столь экономной затраты энергии киты могут до 30 минут плавать под водой, не пополняя запасы кислорода.