人消耗功率

封華山

一、基礎代謝能量

人體為了維持心跳、呼吸、體溫、物質代謝等最基本的生理活動，需要消耗能量，消耗的能量叫做基礎代謝能量，這部分能量占人體消耗總能量的50～60%.基礎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，如人體發燒時，體溫每升高1℃，其基礎代謝率將增加10%左右.基礎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，基礎代謝能量的消耗速度大約為50W至100W，在劇烈運動時消耗的基礎代謝能量會急劇增加.

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

心臟是人體的重要器官，是促進人體血液循環的動力來源，是維持人體生命的根本保障.而心臟之所以能為血液循環提供源源不斷的動力，主要是靠心臟不停地舒張和收縮，對血液做功來實現的.根據目前生理解剖學和物理學的相關知識，我們可粗略地計算出一個人心臟的平均功率.

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

根據物理學功和功率的相關知識，結合圖2所示主動脈血管放大示意圖，在射出血液壓力F的作用下，血液被推動距離為l，心臟對血液做功：

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.

這大約相當于把質量為60kg的中學生舉高200m所做的功.可見，人心臟功率雖小，但一晝夜做功的本領卻是很強的.

當然，心跳的頻率變化了，心臟輸出的血液的量和對血液的壓強也會變化，心臟的功率當然也隨之變化.如，人在運動時，心室的血液輸出量比靜息時增加3倍以上，平均收縮壓也會增加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增加12倍，即16.8W.

每天24個小時，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束.保護我們的心臟至關重要.學會合理宣泄負面情緒、壓力不能過大或持續時間太長、學會放松，多吃全麥或谷類食品，參與體力勞動、加強體育鍛煉，都是保障心臟健康，增強心臟功能的可靠途徑.

二、體力勞動消耗能量

人類生存、發展需要體力勞動，鍛煉身體需要體育運動，這些過程人體都要消耗能量對外做功.此類能量的消耗是人類生存意義所在，將直接影響人的“生存質量”“勞動效率”，甚至“社會發展水平”等.

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

某同學測出自己的步距為0.5m，走到操場單杠區，共走了60步，這個過程用時30s，根據自己的腿長和步距畫出了如圖3所示的步行示意圖，對步行時重心高度的變化進行了分析，當兩腳一前一后著地時重心降低，而單腳著地邁步時重心升高，根據示意圖結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，整個行走過程做功次數為n=60次.如果該同學的質量為60kg，則整個過程克服重力做功：

W=nGh=60×600N×0.05m=1800J，

P=■=■=60W.

實際生活中，人步行時消耗的機械功率大于克服重力消耗的功率，因為四肢的運動消耗能量、身體肌肉收縮拉伸消耗能量等.

接下來該中學生進行引體向上的鍛煉，如圖4所示，測出手長50cm，1min最多能做20個引體向上，可以求出此過程中，人體輸出的機械功率：

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10s，設樓每層高度為3m，可以計算出該同學爬樓機械功率：

W=Gh=600N×6m=3600J，

P=■=■=360W.

比較兩次功率可得，人下肢輸出的機械功率大于上肢，人體下肢更加強壯.

人體運動時輸出的功率大小與很多因素有關，經研究發現：肌肉越發達的人活動時功率越大；體重越重做相同活動時功率越大；活動強度越大，功率越大.運動員在參加訓練或比賽時消耗的功率相對都比較大.優秀的運動員短時輸出的機械功率可以達到500W左右，短時消耗的總功率可以達到1000W左右.但是人體不能長時間保持高功率的輸出，科學測量發現，人體運動時的輸出功率越大，則運動持續時間越短.圖6所示為運動員輸出機械功率與持續時間的關系圖.

三、腦力勞動消耗能量

人們在思考、學習時，大腦也在不斷消耗能量、輸出一定功率.大腦思考時，消耗的功率相當于一盞40W燈泡正常發光時消耗的功率.在考試的時候，大腦功率能達到100W.

人體時時刻刻在消耗能量，而消耗的能量來源于食物的補充.能量的補充不能過多或過少，人體每天攝取的食物所蘊含的能量，應與生命活動所消耗的能量維持相對平衡，這是維持健康身體、提高學習成績的基礎.若攝入的能量超過消耗的能量，就會造成營養過剩，導致身體發胖，影響健康.

在我們的食物中能夠產生能量的營養素主要有三種，即蛋白質、脂肪和碳水化合物.中國營養學會建議這三大營養素供給的能量應占總能量的百分比為：蛋白質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%.