人消耗功率

封华山

一、基础代谢能量

人体为了维持心跳、呼吸、体温、物质代谢等最基本的生理活动，需要消耗能量，消耗的能量叫做基础代谢能量，这部分能量占人体消耗总能量的50～60%.基础代谢能量消耗的大小受许多因素影响，如身高、体重、性别、年龄及健康状况等，如人体发烧时，体温每升高1℃，其基础代谢率将增加10%左右.基础代谢能量男性比女性高，儿童和青少年比成年人高.人体在比较安静的情况下，基础代谢能量的消耗速度大约为50W至100W，在剧烈运动时消耗的基础代谢能量会急剧增加.

在基础代谢过程中，心跳、呼吸都是以做功的方式消耗人体内的生物质能的.它们的功率是多少呢？下面以心跳为例，给出功率的计算方法.

心脏是人体的重要器官，是促进人体血液循环的动力来源，是维持人体生命的根本保障.而心脏之所以能为血液循环提供源源不断的动力，主要是靠心脏不停地舒张和收缩，对血液做功来实现的.根据目前生理解剖学和物理学的相关知识，我们可粗略地计算出一个人心脏的平均功率.

生理解剖学知识告诉我们，人体心脏血液循环的过程如图1所示：一次心脏跳动，就形成一次血液循环，正常情况下心跳约75次每分钟，即心跳一次的时间为0.8s.当心脏舒张时，心脏的内压力接近0Pa，静脉中的血液流入右心房，到右心室：而当心脏收缩时，血液从主动脉射出，每次射出血液量为70mL=7×10-5m3，射出血液时平均压强1.6×104Pa左右.我们说的心脏功率就是指心脏射出血液时，对血液所做机械功的功率.

根据物理学功和功率的相关知识，结合图2所示主动脉血管放大示意图，在射出血液压力F的作用下，血液被推动距离为l，心脏对血液做功：

W=Fl=psl=pV=1.6×104Pa×7×10-5m3

=1.12J.

算出功率：

P=■=■=1.4W.

知道了心脏的输出功率，我们就可以计算一下心脏一昼夜做的功有多大：

W总=nW=75×60×24×1.12J≈1.2×105J.

这大约相当于把质量为60kg的中学生举高200m所做的功.可见，人心脏功率虽小，但一昼夜做功的本领却是很强的.

当然，心跳的频率变化了，心脏输出的血液的量和对血液的压强也会变化，心脏的功率当然也随之变化.如，人在运动时，心室的血液输出量比静息时增加3倍以上，平均收缩压也会增加1倍，那么，总的输出功就将增加6倍，若心搏的频率增加1倍，则新功率将比静息时增加12倍，即16.8W.

每天24个小时，心脏在永不停息地输出功率，保持着生命的活力，一旦心脏停止工作，往往就意味着生命的结束.保护我们的心脏至关重要.学会合理宣泄负面情绪、压力不能过大或持续时间太长、学会放松，多吃全麦或谷类食品，参与体力劳动、加强体育锻炼，都是保障心脏健康，增强心脏功能的可靠途径.

二、体力劳动消耗能量

人类生存、发展需要体力劳动，锻炼身体需要体育运动，这些过程人体都要消耗能量对外做功.此类能量的消耗是人类生存意义所在，将直接影响人的“生存质量”“劳动效率”，甚至“社会发展水平”等.

在日常生活中，同学们需要走路、骑车去学校，在学校要爬楼，为了锻炼身体，还要参加跑步、跳绳、引体向上等体育活动.在这些运动过程中，人体都要对外做不同的机械功，做功的功率也会有所不同.下面以走路、引体向上、爬楼为例，估算消耗的机械功率.

某同学测出自己的步距为0.5m，走到操场单杠区，共走了60步，这个过程用时30s，根据自己的腿长和步距画出了如图3所示的步行示意图，对步行时重心高度的变化进行了分析，当两脚一前一后着地时重心降低，而单脚着地迈步时重心升高，根据示意图结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，整个行走过程做功次数为n=60次.如果该同学的质量为60kg，则整个过程克服重力做功：

W=nGh=60×600N×0.05m=1800J，

P=■=■=60W.

实际生活中，人步行时消耗的机械功率大于克服重力消耗的功率，因为四肢的运动消耗能量、身体肌肉收缩拉伸消耗能量等.

接下来该中学生进行引体向上的锻炼，如图4所示，测出手长50cm，1min最多能做20个引体向上，可以求出此过程中，人体输出的机械功率：

W=nGh=20×600N×0.5m=6000J，

P=■=■=100W.

然后他又全力冲刺，从一楼登上三楼教室，如图5所示，用时10s，设楼每层高度为3m，可以计算出该同学爬楼机械功率：

W=Gh=600N×6m=3600J，

P=■=■=360W.

比较两次功率可得，人下肢输出的机械功率大于上肢，人体下肢更加强壮.

人体运动时输出的功率大小与很多因素有关，经研究发现：肌肉越发达的人活动时功率越大；体重越重做相同活动时功率越大；活动强度越大，功率越大.运动员在参加训练或比赛时消耗的功率相对都比较大.优秀的运动员短时输出的机械功率可以达到500W左右，短时消耗的总功率可以达到1000W左右.但是人体不能长时间保持高功率的输出，科学测量发现，人体运动时的输出功率越大，则运动持续时间越短.图6所示为运动员输出机械功率与持续时间的关系图.

三、脑力劳动消耗能量

人们在思考、学习时，大脑也在不断消耗能量、输出一定功率.大脑思考时，消耗的功率相当于一盏40W灯泡正常发光时消耗的功率.在考试的时候，大脑功率能达到100W.

人体时时刻刻在消耗能量，而消耗的能量来源于食物的补充.能量的补充不能过多或过少，人体每天摄取的食物所蕴含的能量，应与生命活动所消耗的能量维持相对平衡，这是维持健康身体、提高学习成绩的基础.若摄入的能量超过消耗的能量，就会造成营养过剩，导致身体发胖，影响健康.

在我们的食物中能够产生能量的营养素主要有三种，即蛋白质、脂肪和碳水化合物.中国营养学会建议这三大营养素供给的能量应占总能量的百分比为：蛋白质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则：早餐25%～30%，午餐30%～40%，晚餐30%～40%.