Miért kell ennyi energia egy tégla vízszintesen kinyújtott karral való megtartásához?
Ugye a fizikában az erő és az energia, illetve a munka három különböző fogalom. Erő kifejtése során – ha nincs elmozdulás, nem változik a rendszer állapota – nem kell munkát végezni, nincs energiaváltozás.
a) Ráteszel egy téglát egy asztalra. Az asztal – ha most eltekintünk attól, hogy az asztal kopik, ha fából van, akkor elkorhad – folyamatosan erőt fejt ki a téglára és viszont. Erőt fejt ki most, tíz perc múlva is, tíz év múlva is, tízezer év múlva is, tízmillió év múlva is, és ehhez nem kell energiával ellátni az asztalt, nem kell rádugni a konnektorra, nem kell bele szenet lapátolni. Nyilván, hiszen nincs elmozdulás, nem nő semminek sem a helyzeti, sem a mozgási, sem más jellegű energiája.
b) Ha egy embernek a csuklórája kötünk egy téglát, és az ember lógatja a karját, akkor órákig is tartani tudja a téglát, nem rogy le a földre. Oké, nyilván az emberi test belső – a téglától független – folyamatai miatt az ember elfárad, csökken az energiája, így energiát – élelmet – kell magához vennie.
c) Viszont ha az ember – kezére kötve a tégla – vízszintesen tartja ki a téglát, akkor pár percig bírja maximum. Esetleg egy kicsivel tovább, de az ember úgy érzi, hogy munkát végez közben. Hőt termel, izzad, fogy stb… De miért nem tudja munkavégzés nélkül tartani a téglát, mint az asztal? Hiszen semmi nem változik az első másodperc óta, a tégla és a kar ugyanolyan magasan van, a helyzeti energiája is ugyanannyi. A kar és a tégla ugyanúgy áll a Földhöz képest, nem kap mozgási energiát. Ha sejtszintre megyek le a magam szerény ismereteivel, akkor sem értem igazán. Oké, az izomsejtek összehúzódásához munkát kell végezi, hiszen alakváltozás történik a sejtekben, a kar felemelkedik, nő a helyzeti energiája, ehhez kell munkavégzés. De ezen változatlan helyzet fenntartásához ha a nyers fizikai paramétereket nézem, nem kellhet munkavégzés, hiszen nem változik a rendszer egyetlen paramétere sem, a tégla, a kar magassága, helyzeti energiája, mozgási energiája sem, de az izomsejtek alakja, mozgási, helyzeti energiája sem.
válasza:Az izomzatnak ilyenkor nincsen nyugalmi állapota, hanem az egyes izomrostok folyamatosan váltogatnak a megfeszülés és az elernyedés között, vagyis az izom remeg.
Emiatt ugyanúgy munkát végzel, mintha emelnéd a téglát.
Ráadásul ugyanez a helyzet van akkor is, leengeded a téglát: vagyis akkor is munkát végzel és energiát fogyasztasz közben.
válasza:1. válaszadónál van a lényeg. Az állatok vázrendszere, a csontok, az ahhoz csatlakozó szalagok és izmok alapvetően mozgásra vannak (néhány igen különleges kívételtől eltekintve), ha vizszintesen tartod a karodat akkor egyes izmok megfeszített, más izmok elernyedt állapotban vannak. Ha elérted a megfelelő pozíciót ahova emelni akarod a téglát akkor az emelésközben megfeszített izmok elkezdenek el engedni, viszont akkor megszűník az erőhatás ami "emelné" a téglát, és egyből elkezdi a karodat lefelé húzni (egy kicsit elmozdul lefelé), ekkor beindul egy "szabályzás" és megfeszíti az izomokat amelyek vissza emelik a téglát. És itt jön egy "csavar", hogy fizikailag nézve amikor a tégla elkezd sülyedni akkor elvileg a gravitáció munkája hat az izomra, viszont egészen más ennek a "munkának" a biofizikai "hasznosulása" mint az emelésének. Ha nagyon leegyszerűsítve akarom bemutatni akkor azt lehet mondani, hogy az emelés "hatásfoka" nagyon alacsony (ez a fizikai modell áll a legközelebb ahhoz ami történik), tehát ha megfeszíted az izmot az ahhoz szükséges betáplált energia csak egy része "hasznosul" emelési munkában, míg a többi része (főleg hő) formájában távozik. Így a teljes "energia" rendszert úgy a legegyszerűbb modellezni (középiskolai szinten), hogy az emelés hatásfoka valamennyi (nem túl nagy), amikor nincs emelési munka (mert elérted a kívánt magasságot) az izom elernyed, ekkor elkezd sülyedni a tégla (egy nagyon picit, csak pár mm-t) ekkor az "emelési munka" (itt sülyedés) hat az emberi szerveztre, majd megint jön egy tényleges emelés (pár mm) a maga hatásfokával.
Egyébként ugyanez a "probléma" megvan az összes emelőgép (lift, daru, stb.) esetén is, hogy szép és jó az "elmélet" de a hatásfok miatt kell többlett energia betáplálás.
válasza:Az emberi izomrostok nem tudnak órákon át konstans összehúzódott állapotban maradni. Úgy viselkednek, mint egy rosszul tömített hidraulika munkahenger, ahol az erő tartásához mindig kell az olajutánpótlás, mert valamennyi mindig elszivárog. Ez már önmagában állandó energiaigényt jelent.
A statikus terhelés esetén létrejövő kifáradáshoz hozzájárul az is, hogy az izomsejtek oxigén- és tápanyag-ellátásának, valamint a salakanyag, széndioxid elszállításnak is kell a mozgás, ami rásegít a vérkörforgalomra.
De vegyünk egy fizikai analógiát, elektromos szervomotorokat például. A fellépő erőkkel szembeni pozíciótartáshoz azok is folyamatos árambevitelt igényelnek.
válasza:"ekkor az "emelési munka" (itt sülyedés) hat az emberi szerveztre"
A többi jó, de ezt rosszul tudod!
Ilyenkor az izom NEM hasznosítja a gravitáció munkáját, a szervezet szempontjából az egy az egyben elvész!
Sőt: ha a téglát leengeded és közben fékezed, ahhoz is izommunka kell, tehát ilyenkor is energiát FOGYASZTASZ!
Amúgy az izom hatásfoka 25%, de ennek itt most nincs különösebb jelentősége.
válasza: válasza:Az egyik ok, amit a az első válaszoló is említett (bár nem tudom, hogy pont erre gondolt-e), hogy az izomrostok nem feltétlenül vannak folyamatosan megfeszítve, ha megfeszül az izom. Ennek az oka az izomösszehúzódás erősségének szabályozásában keresendő. Ez kétféleképpen történhet: az izomrostok összehúzódás erősségének szabályozásával, és az összehúzódó izomrostok számának szabályozásával. Az első esetben, ha nem feszül meg teljesen az izom, akkor ún. inkomplett tetanusz jön létre, azaz az izomrost folyamatosan kismértékű megfeszülés és elernyedés állapotán megy át. Ez érthetően munkaigényes. Másrészt (ha csak nem nagyon nagy erőt kell kifejteni), egyszerre nem az összes izomrost húzódik össze, hanem felváltva lépnek működésbe.
Azonban ez még kevés a magyarázathoz. Ahhoz molekuláris szintre kell lemenni.
A két fő izomfehérje(rost) az aktin és a miozin (ezeket bizonyára ismered). Az izomösszehúzódás lényege, hogy a miozin elhúzza maga mellett az aktint, így megrövidül az izomrost. AZ energiát ATP biztosítja.
A minket érdeklő rész, hogy ez pontosan hogyan történik. A folyamatot kereszthíd ciklusnak nevezik. A miozin képes az aktin kötőhelyeihez kapcsolódni(ha ezt más szabályozó proteinek lehetővé teszik, de ez most nem fontos). A kapcsolódás előtt ATP-t köt meg, ezt hidrolizálja ADP-vé és inorganikus foszfáttá, miközben megváltozik a konformációja, és ezáltal az aktinhoz köt, majd a kötés miatti újabb konformációváltozás hatására (kis mértékben) elmozdítja az aktin szálat. Ekkor az ADP és a foszfát disszociál. Azonban ahhoz, hogy az izomösszehúzódás tovább folytatódhasson, az aktin és miozin közötti kereszthídnak fel kell bomlani (a miozin "el kell engedje" az aktint). Ez viszont csak akkor tud bekövetkezni, ha a miozinhoz újabb ATP kapcsolódik.
https://www.youtube.com/watch?v=99R-XCGme8Q
(kb. a 2. percnél kezdődik a fentieket bemutató rész.)
Viszont ez nem csak akkor következik be, ha az izom összehúzódik, hanem akkor is, ha az izom statikus megfeszített állapotba van. (Legalábbis ha van értékelhető mennyiségű ATP az izomban. Ha nincs, jön az izomgörcs.) Ebben az állapotban is folyamatosan jönnek létre s bomlanak fel a miozin és az aktin között a kereszthidak, csak a működő miozin molekulák nem tudnak akkora erőt kifejteni, ami tovább mozdítaná a tartott tárgyat. Tehát folyamatosan fogy ebben az állapotban is az ATP.
Márpedig az ATP hiánya az izomfáradtság egyik fő okozója.
Ráadásul ez még nem minden! Ha az izom statikusan összehúzódik, a benne levő erek összenyomódnak, így jelentősen romlik a vérellátása. Emiatt hamar kimerülnek az oxigén (és kreatin) tartalékai, így viszont főleg erjedéssel tud energiát nyerni, ami sokkal kevésbé hatékony, mint az oxidáció.
#2
Természetesen nem tudjuk egészen precízen tartani kinyújtott kézzel a tárgyat, de elsősorban nem emiatt lesz fárasztó tartani. (Egyrészt ez elég pici érték általában, másrészt enélkül is kell energia a tartáshoz.)
válasza:#6: „(Egyrészt ez elég pici érték általában, másrészt enélkül is kell energia a tartáshoz.)”
Ha gyorsan remeg a kezed (nem nagy frekivel, hanem a kezed sebessége gyors), akkor az munkavégzés szempontjából olyan, mintha ennek egy konstansszorosával emelnél folyamatosan.
válasza:#7
Bocsánat, én ezt a mondatot nem tudom értelmezni. Kifejtenéd, mire gondolsz?
válasza:Szerintem az izomremegés által kifejtett erőt a váltóáram effektív értékére analogizálta. A sok csúcs és mélypont közt húzott átlag egyenese.
Csak mivel az izomrostok nem szinkronban húzódnak össze és lazulnak el, hanem az izomkötegben kissé randomszerűen, nem teljesen releváns a példa.
Kapcsolódó kérdések:
Minden jog fenntartva © 2024, www.gyakorikerdesek.hu
GYIK | Szabályzat | Jogi nyilatkozat | Adatvédelem | Cookie beállítások | WebMinute Kft. | Facebook | Kapcsolat: info(kukac)gyakorikerdesek.hu
Ha kifogással szeretne élni valamely tartalommal kapcsolatban, kérjük jelezze e-mailes elérhetőségünkön!