我將 work的定義讀為$$ W〜=〜\ vec {F} \ cdot \ vec {d} $$ $$ \ text {Work =(Force)$ \ cdot $(距離)}。$$
如果桌子上有一本書,則不會進行任何工作,因為沒有距離。如果我手裡拿著一本書,而手臂卻伸直了,如果什麼工作都沒有做,我的精力會流向何方?
我將 work的定義讀為$$ W〜=〜\ vec {F} \ cdot \ vec {d} $$ $$ \ text {Work =(Force)$ \ cdot $(距離)}。$$
如果桌子上有一本書,則不會進行任何工作,因為沒有距離。如果我手裡拿著一本書,而手臂卻伸直了,如果什麼工作都沒有做,我的精力會流向何方?
儘管您確實花了一些精力來使這本書升起,但將其與體力勞動區分開來很重要。它們已連接但不相同。體力消耗不僅取決於多少能量的消耗,還取決於如何的能量消耗。
用伸直的手臂拿著一本書需要體力勞動,但並不需要那麼多精力。
在理想情況下,如果您設法使手臂保持完全穩定,並且肌肉細胞設法保持收縮而無需輸入能量,因為沒有移動任何距離,所以根本不會花費任何能量。
在真實場景中,但是,您確實消耗了存儲在體內的(化學)能量,但是在哪裡?它花費在蜂窩級別上。肌肉由可以彼此相對滑動的細絲製成,這些細絲通過稱為肌球蛋白的分子連接,肌動蛋白消耗能量沿細絲移動,但每隔一段時間就會分離以使其滑動。當您的手臂保持在適當的位置時,肌球蛋白將細絲保持在適當的位置,但是當其中一根肌腱分離時,其他肌球蛋白必須彌補局部的輕微鬆弛。人體中存儲的化學能通過細胞以工作和熱量的形式釋放。*
在理想情況和實際情況下,我們都在談論能量的物理定義。考慮時,您忽略了肌肉細胞的運動,因此您正在考慮理想的情況。對 real 案例的仔細分析得出的結論是,即使手臂本身不動,工作也已經完成,熱量釋放了。
* 最終,這些單元所做的功實際上是在其他單元上完成的,由於摩擦和非彈性,這些單元最終會散發出熱量。因此,您花費的所有精力都用於保持肌肉緊張並最終以熱量消散。
這是關於您的肌肉如何工作的-由神經信號觸發的一組小元素,它們利用化學能從能量較低的長狀態轉變為能量較高的短狀態。然而,這顯然不是永久性的,並且會自發地返回,必須由另一個觸發器來補償。這樣,會有許多條痕和鬆脫現象,總之會產生微小的振盪,從而對砝碼產生宏觀作用。
也許是個類比。讓我們通過使用電磁體來支撐這本書(例如,如果在其下放一塊,則放在一塊)。如果線圈是由超導材料製成的,則不需要任何能量輸入即可保持位置/場強。但是,如果使用普通電線,則必須通過外部提供的電能來彌補線圈中的歐姆損耗。
原因是您需要花費精力來保持肌肉舒展。
您需要知道的第一件事是功$ W = F \ Delta x $是物體之間的能量傳遞。因此,當書放在桌子上時,因為沒有運動,所以書上沒有做任何工作。
當您的手臂肌肉伸展時,它會不斷消耗能量保持這種狀態,以便您很快感到疲勞。這種能量來自您體內的化學能,其中大部分會轉化為熱量並散失到周圍。在這種情況下,沒有能量轉移到書本上,因此無需做任何工作。
當您的手臂以不同角度伸展時,您會感覺到不同的能量消耗。一種特殊的情況是,當您坐在椅子上時,將書放在腿上,這樣您的肌肉就會放鬆並且所消耗的能量更少。
還有一種特殊類型的肌肉,平滑的肌肉,只需很少的能量即可保持其狀態,以便始終保持其拉伸狀態,並且不會感到疲倦:
Tonic平滑肌緩慢收縮並放鬆,並表現出維持力,例如血管平滑肌。維持力是指在不消耗能量的情況下長時間保持收縮。
在收縮時,肉瘤(實際上是在做肌肉工作的結構)輪流做這項工作。在任何給定時刻,只有三分之一的人訂婚。
這是因為肌小節在收縮和鬆弛時會抽血,從而使其能夠獲取更長的工作所需的能量。某些人所經歷的暫時性的,超人的力量可能是對正常參與水平的某種超越。可以保持物體穩定。
但是,如果肌肉長時間收縮,而所泵入的血液中的能量不足,則肉瘤實際上會卡在其收縮位置。這種狀態不需要能量,肌節將保持收縮狀態,直到負荷停止並且正常循環恢復為止。否則勢不可擋。
當通過肌肉的循環受損時,它也會引起肌肉僵硬,這是隨著年齡增長而出現的非常普遍的狀況。
手裡拿著一本書(握在手掌中)和將它放在桌子上來舉一本書之間的最大區別是,第一平衡位置是動態的,而桌子上的書是處於靜態平衡狀態。
我將定性地解釋它。您可以將拿著書的情況與拿著書的情況進行比較,方法是不斷從下方用諸如大理石之類的粒子轟擊它。如果一次只用一塊大理石轟炸這本書,那本書就會掉落一點,大理石從下方擊中,然後再次送回。大理石在此過程中會損失能量,這將被賦予書本(假設發生彈性碰撞)。這本書再次掉落,下一顆大理石擊中該書,再次將其寄回,依此類推。您可以使用大大理石,小大理石,給它們不同的速度,並改變其撞擊書本的時間。這些的最佳組合將使本書處於最佳的準穩定位置。更好的辦法是使用許多彈珠,在不同地方擊打這本書。
因此,每當大理石碰到書本時,它都會失去部分能量,而能量會不斷下降,這使書本看起來處於平衡狀態。那就是動態平衡。
現在,與肌肉保持聯繫的地方在哪裡?我認為這很容易理解,儘管我對肌肉的運作方式並不太了解。可以將所有的肌肉細胞與彈珠進行比較,使書在跌落過程中不斷向上運動。他們放鬆,緊張,放鬆,緊張等。秋天和向上的變化很小,無法察覺,因此書看起來處於穩定狀態。即,動態穩態。當然,大理石是沒有摩擦的,大理石是從“小砲”中獲取能量的。
考慮一個比喻,
在站立一段時間後,我們不做任何工作而感到疲倦*。其背後的原因與為什麼我們不做任何工作來保持物體在我們上方的原因相同頭,但是這種情況更容易理解。
當我們站立時,我們實際上抵抗了跌倒在地面上的趨勢,肌肉會堅持住我們的身體結構,因此我們不會在地面上塌陷像某些非生物一樣,這些肌肉的纖維已經伸展了起來,需要能量。
類似地,當我們將某些東西放在頭頂上方時,我們會做同樣的事情,這種塌陷的趨勢,導致需要能量的肌肉伸長。
當物理學家談論工作時,他們使用的是您所引用方程式的技術含義。但是,對於生物學家來說,工作可以定義為花費精力來完成一項任務。在您的示例中,您的手臂自然不會停留在所述位置。您的身體(主要是肌肉)必須消耗能量,以將手臂(和書本)保持在固定位置,除了您自己的生理機能之外,其他任何方法都不能支持。
因此,按照生物學家的定義,您的肌肉正在做著舉起書本和手臂的動作(肌肉纖維在細胞水平上的一系列化學過程中都在收縮和放鬆)。但是根據物理學家的技術定義,目前還沒有任何工作。
以我的拙見,我真的不認為這是一個太多需要澄清的問題。您必須了解,您在物理學中知道的“能量”絕對是絕對的,我的意思是絕對與您的身體細胞消耗的能量無關。您實際上可以在進行物理工作時消耗能量,但誰在乎呢!物理只能按照定義為“ ”的方式工作,如果您不進行此類工作,請相信我,就物理而言,您還沒有做過任何工作。物理學中的工作定義已經告訴您了,它並不取決於您的感受或細胞的功能。只是力和距離。您疲憊不堪,是因為您爬了一些樓梯,即使物理學家說您已經增加了勢能。那不是矛盾!當您增加勢能時,為什麼會感到虛弱?底線是:體力勞動和您認為實際上是實際的勞動完全不同。前者是物理學家發明的,而後者是在您的細胞中發生的事情,只要關注物理學,我們就不在乎。
$ F = ma $ span>意味著將每個力都施加到質量上並產生加速度。好的。加速度為 $ a = \ frac {\ Delta v} {\ Delta t} $ span>。如果將此 $ \ Delta v $ span>放入 $ {\ frac {1} {2} m(\ Delta v) ^ 2} $ span>,您會發現使質量加速所需的能量。由於既不會產生能量也不會破壞能量,所以施加力的人就是燃燒的能量!他/她/它的勢能(例如,來自食物的能量)已成為加速身體的動能。現在,用手臂舉起5公斤呢?沒有能量?當然,您要花精力。與上面的相同:施加與重力相等且相反的力,因此物體不會掉下也不上升,並且如果您施加力,由於上述原因,您會花費精力。現在人們可以反對這種情況下沒有加速度。如果不存在加速度(與重力加速度 $ g $ span>相反),則物體將掉落!我們有兩個相反的加速度(因為有兩個相反的力)stake可危( $ \ mathbf {F} =-\ mathbf {F_g} \ Rightarrow \ mathbf {a} = \ mathbf {-g } $ span>)。哪個取消。但是,如果取消它們,它們都存在。因此,是的,您花了很多精力來支撐對象:讓這種反加速度存在。因此,您需要能量來支撐物體,但是如果物體靜止在您的手上,則不會做任何工作,因為其動能不會變化。如果您用一隻手停止墜落的身體,則會導致負數 $ \ Delta E_k $ span>(您對其進行負數工作),但是一旦停止,則不再起作用能量僅僅是取消 $ F_g $ span>並使身體保持靜止狀態。
正在消耗能量以使其保持在原位。地球的重力正在向下施加力,書本正在向下加速重力。
正在施加力到手和手臂上,必須加以抵抗,從而消耗能量。
手臂和書本不是封閉系統。