人那么大一个,为什么人体的持续输出功率那么低,才一两百瓦?

瞻云 2023-03-06 11:21:31
提问:人那么大一个,为什么人体的持续输出功率才那么低,才一两百瓦?

人体那么大,人腿肌肉那么大一块,为什么持续输出功率才一两百瓦,优秀的运动员持续输出功率才三百多瓦,才和一台电脑的功率差不多,连小型电磁炉都能比不上,驱动人力飞行器都十分困难,参考飘忽信天翁号人力飞行器穿越英吉利海峡,速度不快,高度不高,逆风大一点感觉要原地悬停。(飞玩运动员感觉和我跑完一千米测试差不多,要去世的感觉。)但是顺便一只鸟都能飞很远,还不低,感觉腿的力也很大啊。

一两百W?

高了。

人在躺平状态下,功率也就70W左右。

当然,如果这个时候你身边突然出现两条恶狗,你瞬间处于应激状态,肾上腺素大量分泌, 你的功率可以瞬间提升10多倍,达到750W以上。

当然,如果你是运动员或者天赋异禀,甚至可以超过1000W。

人体不同状态下的功率,见表[1]:

人体表面积是1.5~2m^2,表中是单位面积的功率

那为什么普通人的最大功率只有750W左右呢?

主要在于3点:

1、你的肌肉能力根本做不到超过1000W。

2、功率太高,对于人体来说太过于浪费,有效利用率很低。

3、热量太多,人体散热不了,直接热死。

接下来,我们详细探讨,肌肉的做功情况。

现实情况中,肌肉纤维状态相同的情况下,力量和肌肉横截面积呈正比。

虽然有个体差异,但你我都是智人嘛,差别不大。

理论上来说,对于肌肉快慢肌组成相同,且肌肉维度差不多的人来说,极限功率也是差不多的。

那是什么限制了这个极限功率的上限呢?

运动效率,也即肌肉功率。

就如同机械一样,一个人在全力运动的时候,肌肉功率是有一个上限的。

人体运动时,肌肉收缩的力-速关系,满足以下的规律[2]:

A到B的曲线,是肌肉收缩速度和有效肌肉力量的关系。

当人在起跑的时候,有效力量最大,随着速度越来越快,肌肉收缩效率逐渐下滑。在不考虑其它外力的情况下,当肌肉达到速度极限,收缩的力量对外全部无效做功。

而最大值为D的抛物线,则是肌肉运动时的有效功。当肌肉速度为零,或者力量为零的时候,有效功都为零。而在中间力-速适当的位置,有效功率最大。

人进行不同的运动时,力-速关系,有着一定的差异:

注意,这里的横坐标是kg,转化成N需要乘以10

从曲线我们可以看出,一个人在不同的运动状态下,肌肉效率是不同的。当速度达到最快的时候,虽然肌肉还在不断的收缩,但肌肉张力已经为零,速度无法增加。

人在极速奔跑状态下,人体对外做功,主要对抗摩擦力和阻力做功。

我们再来看看 阻力做功:

以普通运动员8m/s的速度来说,看看受到的风阻有多大。

风阻公式有:

F=12CρSV2

C为空气阻力系数,人介于球面和垂直面之间,不妨取0.8;ρ为空气密度1.293kg/m^3。

S为迎风面积约0.3m^2;V为速度8m/s。

那么,计算得一个人急速跑的时候,受到的阻力为:

F=10N

那么阻力的功率为:P=FV=80W。

在极速奔跑情况下, 人前进动力几乎为零,其实摩擦力做功也近乎为零,哪怕考虑有些对地面的磨磨蹭蹭,也只会有少量做功,我们预估20W。

加上阻力做功,那就是100W.

而对于极速8m/s的人来说,根据身体素质不同,功率可达500W~1000W。

也就是说,极速状态下,至少数百W的功率,人体都内耗了。

对外做功的功率仅仅10~20%,能够达到20%都是优质运动员了。

当然,由于此时对外做功都被阻力和摩擦力消耗了,对速度的功率是0。

根据上面的曲线关系,如果你还想要提升速度。

那就必须训练,提升肌肉的效率。

经过力量和速度训练之后,人体的极限速度和力量都明显提升。

但提升一点点的速度,肌肉的功率却需要大范围的提升。

从普通人到职业运动员,速度大约可以提升50%,那么肌肉功率需要提升多少呢?

很多人一看,可能会想,做功与速度平方呈正比,理论上只需要再加(1+50%)^2/1=2.25倍的做功就行了。如果原来60kg的人,6m/s,做功1080J,理论上功率提升的倍数是2.25倍,需要增加1350J就行了。如果加速时间慢一点,例如10s完成加速,那么需要135W的功率就可以了?

但其实,这样计算是不正确的,因为完全没有考虑到肌肉效率。

先前我们已经通过风阻公式探讨了,阻力是是速度的平方。那么,速度提升0.5倍,阻力就变成2.25倍(提升1.25倍)。

由于速度也提升到了1.5倍。

那么,阻力的功率是以前的:2.25×1.5=3.375倍。

也即提升了2~3倍。

如果肌肉效率不变的话,职业运动员比起普通人的能耗需要提升2~3倍,这是符合实际数据的。当然,对于有健身习惯的,差距可小于1倍。

从这个公式关系,我们也可以看出。

不说增加50%,哪怕仅仅增加25%,人体做功都需要翻倍,增加90%多。

而做的功,绝大部分都在人体内部消耗。这些能量会转变成热量,给人体持续加热。

人在奔跑的状态下,对外主要是通过出汗来和水分蒸发散热。

然而人体汗液的排出有限,骨骼肌能升高的极限温度也只有40℃出头。

所以,人体增加不了多少速度,也就达到极限了。

以上就是人体功率只有50~500W之间的主要原因。

◆至于电脑,其实电脑各个部分的功耗是分开的。

一般主板、显卡、CPU的功耗差不多都是几十W,其它杂七杂八的配件还会消耗一些。

如果我们把显卡和人体的腿部肌肉来对比。

你显卡的功率极限也就上百了,而人类腿部肌肉功率可达几百。

当然你也可以对比一下CPU(大脑):人类大脑的精细结构和神经元的复杂程度,比电脑牛逼多了吧?而一些抽象宏观的处理也是电脑做不到的(至于人脑没有电脑精准和计算力,那是另外一回事了,以前我一篇回答讨论过,这里就不讨论了。想看的,可以留个:门)。

然而人脑消耗的功率也就差不多10~20W左右,功耗仅仅只有电脑CPU的1/5。

这就显示了大脑非凡的节能能力了。

至于电磁炉,人家本来就是为了加热食物的,温度轻轻松松两三百度。

而人类的体温必须恒定在37℃作用,无论你想要上天也罢,入地也好,你必须要保证你身体能产生的热量能及时散掉,你才不会被热死。

我们单从斯特藩-玻尔兹曼定律的角度来考虑的话。

辐射度j*=εσΤ4,ε为辐射系数,σ 为斯特藩常量。

金属的辐射系数大约0.7左右,人体辐射系数0.9左右。

可得,如果外界温度32℃,电磁炉300℃高温状态下,单位面积的散热速度大约是人体37℃时的:(573.15^4-305.15^4)/(310.15^4-305.15^4)×7/9≈133倍。

也就是说电磁率单位面积的辐射效率是人体的133倍。

如果人体单位面积能有这么高的辐射功率,人体的总功率可达到10万W。

当然,如果能承受两三千度的高温时,就可以化身钢铁侠了。

◆至于鸟,没有什么可讨论的。

绝大多数鸟类都会借助上升气流,除了燕类这种飞翔大师,连续煽翅都能长久不落地的,其它的鸟类不借助上升气流的时候,在地面扑腾都十分困难。

我们就简单粗暴的计算一下,由于扑腾困难,实际扑腾的时候,力量勉强和体重相当。

一般来说,全力起步的时候,功率会迅速增加,然后缓慢减小。

哪怕我们对它高估一点,一开始出现最大功率的时候,速度达到1m/s。

那么对于这些鸟类来说,功率最高也就10W,哪怕考虑到20%~30%左右的肌肉效率,总功率也不过30W左右,这还是奋力的情况下。

哪怕大鸟在静息状态下,也就几瓦的功率,能达到人类功率1/10都很厉害了。

至于完全靠自身能力飞行的燕类,由于体型太小,极限功率能有几瓦就不错了。

当然,鸟类单位体积的功率是可以比人类高的。

主要在于两点:

1、人家的体温可以比人类高5℃,如果外界是20℃的话,单位面积的散热速度可超过人类30%。如果外界是28℃,人家散热速度超过人体的60%。如果是接近37℃的环境,如果不考虑其它条件,鸟类单位面积的散热速度就远远超过人体了。当然,人体开了汗液蒸发的挂,高温干燥的环境下,人类可以弥补劣势。

2、鸟类体积比人类小得多,单位体重与单位表面积的百分比也更小,这让鸟类在体温环境温差,与人类相当的情况下,单位体积的散热速度也会比人类快5~20倍(倍数与尺度成正比)

除了隼和鸮等,题主觉得鸟类力量厉害,其实是错觉。因为体型小,就显得力气大的样子。

如果体型缩得更小,那力量看着还更厉害呢。

你看,昆虫轻轻松松就是几十倍体重的力量,跳起来又是几十倍身高的高度。

总的来说,人的功率其实并不算低,不能提升是因为肌肉效率、体温等极限卡死。

至于题主对电器和鸟类的判断,认知有一定的偏差。

参考

^[1]魏润柏. 人体与环境热交换计算方法[J]. 人类工效学, 1995, 001(002):39-42.

^骆建, 谭宏. 田径运动项目的动力性力量训练效果转化为专项能力的原理探讨[J]. 成都体育学院学报, 2003, 29(001):43-46.

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瞻云

简介:科普作家,生物学、物理学领域创作者