Примерно решение планинска обиколка
Защо отслабвате, когато тръгнете на планинска обиколка? ?
Отслабвате на планинска обиколка по два начина:
· Изпотявате вода. Така че трябва да изчислите колко вода се изпотява
· Вие консумирате калории. Така че трябва да изчислите колко работа вършите в планинската обиколка и колко глюкоза или мазнини трябва да бъдат отстранени от тялото, за да осигурите подходящото количество енергия.
Какъв вид работа се прави на планинска обиколка?
Това е предимно свършена работа. Формулата за повдигане е:
Whub = m Ч g Ч h
В допълнение към известния пространствен фактор на земята, имате нужда от масата на алпиниста, включително раницата, както и преодолената разлика във височината по време на обиколката.
По-нататък предполагам обиколка с разлика във височината h = 1000 м и 70 кг катерач с 10 кг багаж (включително облекло). Така:
Продължение: m = 80 kg, h = 1000 m
Sol.: Whub = m Ч g Ч h
=
В каква друга форма тялото отделя енергия за околната среда?
Той също така произвежда топлина. От уроците е известно (вижте сценария), че ефективността на мускулите е около 1/6. Това означава, че току-що изчислената повдигаща работа от 800 kJ е само една шеста от количеството енергия, преобразувано в мускулите. Като цяло, количеството енергия, преобразувано в мускула, следователно е:
6 Ч 800 kJ = 4800 kJ
Следователно количеството отделена топлина е:
4800 kJ - 800 kJ = 4000 kJ
Колко глюкоза или мазнини трябва да се консумират, за да се освободи това количество енергия?
Физиологичната калоричност на гроздената захар е 17 kJ/g, тази на мазнините около 40 kJ/g. Ако се приеме, че мускулните запаси от глюкоза бързо се изпразват и тялото скоро ще премине към изгаряне на мазнини, може да се опрости предположението, че цялото количество енергия се освобождава чрез „изгаряне“ на мазнини.
Това води до около
Мазнини, които трябва да бъдат "изгорени"
Колко вода трябва да се изпоти, за да се извлече количество топлина от 4000 kJ от тялото?
Водата, която трябва да се изпари, първо трябва да се нагрее от телесна температура до 100 ° C, т.е. с 60 K. За това са необходими 60 кал ≈ 251 J на грам вода. За действителното изпаряване на 100 ° C гореща вода още 2088 J/g. Като цяло, с всеки грам пот, 251 J + 2088 J = 2339 J ≈ 2,34 kJ се разсейват от тялото.
С "изхвърлянето" на 4000 kJ топлина чрез изпотяване, т.н.
В зависимост от времето и облеклото, повече или по-голяма част от топлината, разбира се, се отделя от въздушното охлаждане и топлинното излъчване. По-специално, делът на въздушното охлаждане е изключително труден за изчисляване. Но тъй като отделяте топлина и когато седите или лежите тихо и температурата на тялото се повишава само с няколко градуса (от приблизително 42 ° умирате), допълнителната топлина, отделяна от въздушно охлаждане или лъчиста топлина, когато седите тихо, е ниска.
Общ резултат на загуба
· Като цяло, при горещо време трябва да тежите около 2 кг по-малко на върха, отколкото в долината, но по-голямата част от загубата на тегло е вода, която трябва да се попълни в краткосрочен план, за да останете здрави.
· Действителната трайна загуба на тегло чрез разграждането на телесните мазнини е приблизително 120 g
Не винаги раздавам аритметични задачи като тези като скриптове на учениците, защото не искам да предвиждам или пренебрегвам идеите, които учениците внасят в моделирането. Така че следващото решение е само пример за това как се справям с такива задачи с ученици от 8 клас.
Въпросите в лявата колона трябва да бъдат само насочващи въпроси за учителя и, разбира се, трябва да бъдат адаптирани към хода на дискусията в класа и, ако е необходимо, да бъдат допълнени от допълнителни въпроси на малки стъпки.
Трябва да сте се справили поне с потенциалната енергия предварително. Задачата е, разбира се, благоприятна след термодинамиката. Въпреки това, най-вече се занимавам с него във връзка с позиционната енергия, ако теорията за топлината все още не е разгледана. След това предвиждам необходимата информация. Опитът показва, че това не е голям проблем, тъй като интуитивно е ясно, че за да загреете двойно повече вода, имате нужда и от двойно повече енергия и че отнема доста време на кухненската печка, за да достигнете гърне, пълно с 100 °, дори при пълна мощност гореща, вряща вода се трансформира в 100 ° гореща пара, така че за това е необходимо много енергия и колкото повече, толкова повече вода трябва да се изпари.
Разбира се, в този момент приемам и всяко друго разумно предположение, предлагат учениците. В клас обикновено позволявам на всеки ученик първо да избира собствените си дати и след разумно време за обработка правя пример на черната дъска.
Ако някой е по-запознат с физиологията от мен (което не е подвиг), той, разбира се, трябва да включи своите знания. Между другото, има смисъл да се обсъжда със студентите в подобни и подобни моменти, че физическите резултати са точно толкова точни, колкото използваните входни данни и че резултатът е по-точен, ако се положат повече усилия при моделирането и по-нататъшните ефекти включени във фактурата. Например, бихте могли да добавите допълнително 10% надбавка, за да позволите т. Нар. „Увеличение на брояча“, т.е. Места, където тя се спуска отново между тях по време на действителното изкачване. Или се взема предвид и повдигането на краката, или процентна надценка за спускането, което също изисква работа от мускула, въпреки че тази работа не може да бъде физически назована и изчислена.
Накратко! Маршрутът е целта. Задачата е само средство за постигане на цел да се влезе в разговор със студентите (и накрая също и в изчислението) на тема "енергия".
Бележка за учителите: "Физиологичната калоричност" отчита, че част от консумираната храна се отделя, без да се използва. Например, физическата калоричност на целулозата, както всички въглехидрати, е приблизително 17 kJ/g, докато за хората физиологичната калоричност е 0, тъй като целулозата се отделя неразградена. Говедата, от друга страна, усвоява около половината от целулозата, съдържаща се в слама, така че физиологичната калоричност на целулозата за говеда е около 8,5 kJ/g. При всички живи същества обаче енергийните разходи, които тялото трябва да поеме, за да използва храната, трябва да се извадят от физиологичната калоричност. За съжаление не успях да намеря никакви номера за това
Не се страхувайте от собствените си пропуски в знанията . Според моя опит учениците са впечатлени от интердисциплинарните знания на учителя. Моята корона не пробива шип, когато учениците питат нещо и аз трябва да им кажа, че не знам. В подходящи случаи препоръчвам на студента, който е задал въпроса, да се информира и да му предложи резултатите от изследването си като презентация. Освен това много въпроси са все още отворени и противоречиви, особено в тази област на количествената физиология
Ако има достатъчно време за преподаване, напр. Физиката като основна в северозападната част, следните съображения също могат да бъдат разгледани със студентите, ако ги поведете малко. Те са очаровани най-вече от това, което може да се изчисли с малко училищна физика и няколко прости съображения относно пропорционалностите. Първоначално те са достъпни само за учителя:
Топлинна радиация: Ако телесната температура се повиши от 37 ° C (310 K) до 40 ° C (313 K), тези 3 K са приблизително 1% от текущата телесна температура. Тъй като мощността на излъчване на черно тяло се повишава пропорционално на четвъртата степен на неговата температура, това означава 4% по-голяма мощност на излъчване и следователно е пренебрежимо малка (1+ d) 4 = 1 + 4 d + 6 d 2 + 4 d 3 + d 4 ≈ 1 + 4 д
Въздушно охлаждане: Количеството топлина, отделяно от въздушното охлаждане, е пропорционално на температурната разлика между тялото и околната среда. При температура на околната среда от 20 ° C и "нормална телесна температура от 37 ° C, повишение до 40 ° C означава увеличаване на температурната разлика от 17 K до 20 K, т.е. с около 15%.
Заедно: Дори да не знаете кой от двата ефекта обикновено е по-голям, максималното количество допълнителна топлина, отделяно от въздушното охлаждане, остава под 15%, поне ако нереално пренебрегнете факта, че в планините, за разлика от хола, има и вятър.
Резултат: Добре известно е, че силата на човек, когато седи тихо, е около 70 вата, което в крайна сметка го оставя отново под формата на топлина през повърхността му. Изчислените допълнителни 15% съставляват около 10 вата. Тъй като можете да изкачвате около 300 метра на час, изкачването до върха на 1000 метра по-високо отнема около 12 000 секунди. Допълнителните топлинни загуби поради въздушно охлаждане без вятър са максимум
10 W Ч 12 000 s = 120 000 J = 120 kJ
Това всъщност е само малка част от 4000 kJ, която трябва да бъде премахната