人消耗功率

封華山

一、基礎(chǔ)代謝能量

人體為了維持心跳、呼吸、體溫、物質(zhì)代謝等最基本的生理活動(dòng)，需要消耗能量，消耗的能量叫做基礎(chǔ)代謝能量，這部分能量占人體消耗總能量的50～60%.基礎(chǔ)代謝能量消耗的大小受許多因素影響，如身高、體重、性別、年齡及健康狀況等，如人體發(fā)燒時(shí)，體溫每升高1℃，其基礎(chǔ)代謝率將增加10%左右.基礎(chǔ)代謝能量男性比女性高，兒童和青少年比成年人高.人體在比較安靜的情況下，基礎(chǔ)代謝能量的消耗速度大約為50W至100W，在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)消耗的基礎(chǔ)代謝能量會(huì)急劇增加.

在基礎(chǔ)代謝過程中，心跳、呼吸都是以做功的方式消耗人體內(nèi)的生物質(zhì)能的.它們的功率是多少呢？下面以心跳為例，給出功率的計(jì)算方法.

心臟是人體的重要器官，是促進(jìn)人體血液循環(huán)的動(dòng)力來源，是維持人體生命的根本保障.而心臟之所以能為血液循環(huán)提供源源不斷的動(dòng)力，主要是靠心臟不停地舒張和收縮，對(duì)血液做功來實(shí)現(xiàn)的.根據(jù)目前生理解剖學(xué)和物理學(xué)的相關(guān)知識(shí)，我們可粗略地計(jì)算出一個(gè)人心臟的平均功率.

生理解剖學(xué)知識(shí)告訴我們，人體心臟血液循環(huán)的過程如圖1所示：一次心臟跳動(dòng)，就形成一次血液循環(huán)，正常情況下心跳約75次每分鐘，即心跳一次的時(shí)間為0.8s.當(dāng)心臟舒張時(shí)，心臟的內(nèi)壓力接近0Pa，靜脈中的血液流入右心房，到右心室：而當(dāng)心臟收縮時(shí)，血液從主動(dòng)脈射出，每次射出血液量為70mL=7×10-5m3，射出血液時(shí)平均壓強(qiáng)1.6×104Pa左右.我們說的心臟功率就是指心臟射出血液時(shí)，對(duì)血液所做機(jī)械功的功率.

根據(jù)物理學(xué)功和功率的相關(guān)知識(shí)，結(jié)合圖2所示主動(dòng)脈血管放大示意圖，在射出血液壓力F的作用下，血液被推動(dòng)距離為l，心臟對(duì)血液做功：

W=Fl=psl=pV=1.6×104Pa×7×10-5m3

=1.12J.

算出功率：

P=■=■=1.4W.

知道了心臟的輸出功率，我們就可以計(jì)算一下心臟一晝夜做的功有多大：

W總=nW=75×60×24×1.12J≈1.2×105J.

這大約相當(dāng)于把質(zhì)量為60kg的中學(xué)生舉高200m所做的功.可見，人心臟功率雖小，但一晝夜做功的本領(lǐng)卻是很強(qiáng)的.

當(dāng)然，心跳的頻率變化了，心臟輸出的血液的量和對(duì)血液的壓強(qiáng)也會(huì)變化，心臟的功率當(dāng)然也隨之變化.如，人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，心室的血液輸出量比靜息時(shí)增加3倍以上，平均收縮壓也會(huì)增加1倍，那么，總的輸出功就將增加6倍，若心搏的頻率增加1倍，則新功率將比靜息時(shí)增加12倍，即16.8W.

每天24個(gè)小時(shí)，心臟在永不停息地輸出功率，保持著生命的活力，一旦心臟停止工作，往往就意味著生命的結(jié)束.保護(hù)我們的心臟至關(guān)重要.學(xué)會(huì)合理宣泄負(fù)面情緒、壓力不能過大或持續(xù)時(shí)間太長(zhǎng)、學(xué)會(huì)放松，多吃全麥或谷類食品，參與體力勞動(dòng)、加強(qiáng)體育鍛煉，都是保障心臟健康，增強(qiáng)心臟功能的可靠途徑.

二、體力勞動(dòng)消耗能量

人類生存、發(fā)展需要體力勞動(dòng)，鍛煉身體需要體育運(yùn)動(dòng)，這些過程人體都要消耗能量對(duì)外做功.此類能量的消耗是人類生存意義所在，將直接影響人的“生存質(zhì)量”“勞動(dòng)效率”，甚至“社會(huì)發(fā)展水平”等.

在日常生活中，同學(xué)們需要走路、騎車去學(xué)校，在學(xué)校要爬樓，為了鍛煉身體，還要參加跑步、跳繩、引體向上等體育活動(dòng).在這些運(yùn)動(dòng)過程中，人體都要對(duì)外做不同的機(jī)械功，做功的功率也會(huì)有所不同.下面以走路、引體向上、爬樓為例，估算消耗的機(jī)械功率.

某同學(xué)測(cè)出自己的步距為0.5m，走到操場(chǎng)單杠區(qū)，共走了60步，這個(gè)過程用時(shí)30s，根據(jù)自己的腿長(zhǎng)和步距畫出了如圖3所示的步行示意圖，對(duì)步行時(shí)重心高度的變化進(jìn)行了分析，當(dāng)兩腳一前一后著地時(shí)重心降低，而單腳著地邁步時(shí)重心升高，根據(jù)示意圖結(jié)合勾股定理得出重心升高了h=5cm=0.05m，因此每走一步都要克服重力做功，整個(gè)行走過程做功次數(shù)為n=60次.如果該同學(xué)的質(zhì)量為60kg，則整個(gè)過程克服重力做功：

W=nGh=60×600N×0.05m=1800J，

P=■=■=60W.

實(shí)際生活中，人步行時(shí)消耗的機(jī)械功率大于克服重力消耗的功率，因?yàn)樗闹倪\(yùn)動(dòng)消耗能量、身體肌肉收縮拉伸消耗能量等.

接下來該中學(xué)生進(jìn)行引體向上的鍛煉，如圖4所示，測(cè)出手長(zhǎng)50cm，1min最多能做20個(gè)引體向上，可以求出此過程中，人體輸出的機(jī)械功率：

W=nGh=20×600N×0.5m=6000J，

P=■=■=100W.

然后他又全力沖刺，從一樓登上三樓教室，如圖5所示，用時(shí)10s，設(shè)樓每層高度為3m，可以計(jì)算出該同學(xué)爬樓機(jī)械功率：

W=Gh=600N×6m=3600J，

P=■=■=360W.

比較兩次功率可得，人下肢輸出的機(jī)械功率大于上肢，人體下肢更加強(qiáng)壯.

人體運(yùn)動(dòng)時(shí)輸出的功率大小與很多因素有關(guān)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：肌肉越發(fā)達(dá)的人活動(dòng)時(shí)功率越大；體重越重做相同活動(dòng)時(shí)功率越大；活動(dòng)強(qiáng)度越大，功率越大.運(yùn)動(dòng)員在參加訓(xùn)練或比賽時(shí)消耗的功率相對(duì)都比較大.優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員短時(shí)輸出的機(jī)械功率可以達(dá)到500W左右，短時(shí)消耗的總功率可以達(dá)到1000W左右.但是人體不能長(zhǎng)時(shí)間保持高功率的輸出，科學(xué)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的輸出功率越大，則運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間越短.圖6所示為運(yùn)動(dòng)員輸出機(jī)械功率與持續(xù)時(shí)間的關(guān)系圖.

三、腦力勞動(dòng)消耗能量

人們?cè)谒伎肌W(xué)習(xí)時(shí)，大腦也在不斷消耗能量、輸出一定功率.大腦思考時(shí)，消耗的功率相當(dāng)于一盞40W燈泡正常發(fā)光時(shí)消耗的功率.在考試的時(shí)候，大腦功率能達(dá)到100W.

人體時(shí)時(shí)刻刻在消耗能量，而消耗的能量來源于食物的補(bǔ)充.能量的補(bǔ)充不能過多或過少，人體每天攝取的食物所蘊(yùn)含的能量，應(yīng)與生命活動(dòng)所消耗的能量維持相對(duì)平衡，這是維持健康身體、提高學(xué)習(xí)成績(jī)的基礎(chǔ).若攝入的能量超過消耗的能量，就會(huì)造成營(yíng)養(yǎng)過剩，導(dǎo)致身體發(fā)胖，影響健康.

在我們的食物中能夠產(chǎn)生能量的營(yíng)養(yǎng)素主要有三種，即蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物.中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)建議這三大營(yíng)養(yǎng)素供給的能量應(yīng)占總能量的百分比為：蛋白質(zhì)10%～15%，碳水化合物55%～65%，脂肪<30%，能量在一日三餐中合理分配原則：早餐25%～30%，午餐30%～40%，晚餐30%～40%.