Работа и мощность человека. Эргометрия

Работа и мощность, которые характерны для человека, зависят от многих факторов. При кратковременных усилиях человек может развивать мощность порядка нескольких киловатт. Например, если спортсмен массой 70 кг подпрыгивает так, что его центр масс подни­мается на 1 м (по отношению к нормальной стойке), а фаза оттал­кивания длится 0,2 с, то он развивает мощность около 3,5 кВт.

При ходьбе с постоянной скоростью по ровному месту человек также совершает работу, хотя его кинетическая энергия не изме­няется. В данном случае энергия затрачивается главным образом на периодическое поднятие центра масс тела и на ускорение или замедление ног. Часть' этой энергии идет на нагревание организма за счет «сопротивления» его частей и нагревание окружающей сре­ды. Например, человек массой 70 кг при ходьбе со скоростью 5 км/ч развивает мощность около 60 Вт. С возрастанием скорости эта мощность быстро увеличивается, достигая 200 Вт при скорости 7 км/ч. При езде на велосипеде положение центра масс челове­ка изменяется гораздо меньше, чем при ходьбе, и ускорение ног тоже меньше. Поэтому мощность, затрачиваемая при езде на

велосипеде, значительно меньше: 30 Вт при скорости 9 км/ч, 120 Вт при 18 км/ч.

Работа, совершаемая мышцами при выполнении активных дви­жений, называется динамической. Эта работа связана с переме­щением частей тела. В том случае, когда человек сохраняет свою позу неизменной, такие перемещения отсутствуют, а при отсут­ствии перемещения работа всех сил равна нулю. Поэтому может показаться, что человек, стоящий неподвижно, не тратит энергию. Однако опыт показывает, что сохранение неподвижной позы в тече­ние длительного времени вызывает значительное утомление. Еще большую усталость испытывает человек, держащий в вытянутой руке гантель. Сидящий человек также испытывает усталость мышц спины и поясничной области, если на плечи ему поместить груз. Причина усталости (а значит и энергозатрат) при статических на­грузках состоит в том, что покой в данном случае является кажу­щимся. Вследствие биологической активности мышц у человека всегда наблюдается физиологический тремор (лат. tremor — дро­жание). При этом происходят незаметные глазу очень мелкие и очень частые сокращения и расслабления мышц. Следователь­но, мышцы постоянно совершают работу (такую работу называют статической) и расходуют запас энергии. Сила мышц падает и требуется перерыв для ее восстановления. Этим и объясняется то, что стоящий человек время от времени переносит тяжесть тела с одной ноги на другую.

В спортивной терминологии используются следующие понятия:

—ритм работы — определенная последовательность чередо­вания рабочих операций и их отдельных элементов в процессе дея­тельности;

—темп работы — число последовательно выполняемых опе­раций в единицу времени.

При этом мощность часто определяют как темп, в котором вы­полняется работа или расходуется энергия.

Эргометры. Для измерения работы человека применяют при­боры, называемые эргометрами. Например, велоэргометр пред­назначен для измерения полезной работы и мощности при езде на велосипеде. Для этого через обод колеса, которое вращает испы­туемый, перекинута стальная лента. Сила трения между лентой и ободом колеса измеряется динамометром. Вся работа испытуе­мого затрачивается на преодоление трения. Умножая длину окруж­ности колеса на силу трения, находят работу, совершенную при

каждом обороте. Зная число оборотов и время испытания, опреде­ляют полную работу и среднюю мощность.

Энергетика бега. Предположим, что бегун передвигается с по­стоянной скоростью по горизонтальной поверхности. Работа, ко­торая при этом совершается, сводится к преодолению трения и со­противления воздуха. При беге действие трения невелико, но, тем не менее, бег с постоянной скоростью связан со значительными затратами энергии. Энергия тратится на движение тела бегуна вверх-вниз и на отталкивание ногами от почвы. Кроме того, тело бегуна превращает энергию в теплоту. Дополнительная причина потери энергии заключается в том, что ноги бегуна, масса кото­рых составляет примерно 40% от массы тела (см. табл. 5.1), в про­цессе бега постоянно ускоряются и тормозятся. Поэтому работа, выполняемая мышцами ног для поддержания движения тела впе­ред с постоянной скоростью, велика.

В первом приближении можно считать, что работа, выполняе­мая мышцами бегуна за один шаг, пропорциональна кинетической энергии, сообщаемой той ноге, которая после отталкивания от зем­ли выносится вперед: А - mv² (m — масса ноги). В то же время эта работа определяется формулой А = Fd, где F — сила мышц, d — расстояние, на котором при каждом шаге мышцы выполняют ра­боту. Считается, что сила мышц (F) пропорциональна квадрату характеристической длины (L²), а масса (т) пропорциональна кубу характеристической длины (L³). Кроме того, расстояние d пропор­ционально L. Следовательно,

Таким образом, можно считать, что скорость, которую может поддерживать бегун, не зависит от его размеров. Ориентировочные значения скоростей, которые могут развивать человек и некото­рые животные, представлены в табл. 5.3.

Люди — неважные бегуны. Это объясняется тем, что масса ног человека составляет около 40% массы тела и требует значитель­ных затрат энергии при каждом торможении и разгоне. Самые быстроходные животные имеют худые ноги, а основная масса со­средоточена в теле. Большие мышцы ног у некоторых животных (лев, тигр, большие кошки) приспособлены для прыжков, а не для быстрого бега.

Человек ограничен в величине производимой им работы не толь­ко требуемой для этого энергией, но и скоростью ее использова­ния, т. е. мощностью. Например, человек может пройти большое расстояние по лестнице, прежде чем будет вынужден остановить­ся из-за того, что израсходовал слишком много энергии. Однако, при подъеме в высоком темпе, он может упасть в изнеможении, преодолев лишь небольшую часть пути. В этом случае ограничение ставит величина затрачиваемой мощности, т. е. скорости, с кото­рой человек за счет биохимических процессов преобразует

химическую энергию пищи в механическую работу. То обстоятель­ство, что активный организм часто функционирует на грани своих предельных возможностей, подтверждается множеством случаев, когда спортсмены на соревнованиях разрывают мышцы, связки, сухожилия.

Мощность энергозатрат человека с массой 70 кг при различных видах деятельности и при выполнении физических упражнении представлена в табл. 5.4 и 5.5

Представление о КПД человека дает таблица 5.6, в которой пред­ставлены сведения о полезной и затраченной мощностях при вы­полнении упражнений на велоэргометре (60 об/мин).