Енергія та людина. Ряд випадкових порівнянь

У фізиці для вирішення завдань іноді застосовується напівнауковий «метод розмірностей», коли знаючи розмірність шуканої величини, ми можемо здогадатися, що поділити, скласти, помножити, щоб отримати правильну відповідь. Я вирішив взяти розмірність «енергія» та порівняти «яблука з бананами», а саме людину як енергетичну систему з іншими системами.

У чому вимірюється енергія?

Disclaimer: всі обчислення можуть бути не точними і головна мета показати порядок чисел.

Людина - споживач енергії. 2 кВт*год, 100 Вт

Людина в середньому споживає близько 2000 ккалорій на день, що дає близько 2 кВт * год або близько 100 Ватт, середньої потужності. Можна уявити, що людина їсть, як одна велика лампочка на розжарювання на 100 Ватів.

Енергоспоживання людини порівняно невелике порівняно з приладами, які оточують нас. Можна сказати, що людина здійснила технічну революцію. Людина приймає «в себе» менше енергії, ніж вона використовує «для себе» навіть у домашніх умовах (середній розрахунок більше 100 кВт*год на місяць).

Людина - обчислювальна машина. 30 Вт

Поширені оцінки, що мозок з'їдає від 200 до 1000 Ккал (стресові ситуації), тобто від 20-40% енергії, що дає оцінку середньої потужності 30 Вт.

Мозок – вкрай ефективна система. Так сучасні ноутбуки роблять операції набагато краще за нас і середня потужність знаходиться близько 30 Вт, а телефони взагалі 0.5-1 Вт. Натомість сучасні відеокарти споживають у середньому від 250 Вт і все одно не можуть зрівнятися з мозком за швидкістю та точністю обробки візуальної інформації.Так що людина дуже непоганий процесор, правда тільки для специфічних завдань.

Людина - акумулятор. 10 кВт*год

Кажуть, людина може не їсти 3-7 днів. Зрозуміло, що не харчуючись, людина почне споживати менше енергії на внутрішні та зовнішні потреби. Можна покласти, що з'ївши подвійну добову норму, людина буде активною 2 дні (за наявності води), що дає грубу оцінку 10 кВт*год.

Якщо порахувати, енергоємність людини, то ми можемо отримати вкрай різні цифри, вага людей, які можуть прожити N-е кількість днів і зробити якусь корисну роботу, вкрай відрізняється від 50 кг — 150 кг. Швидше за все, середня енергоємність дорівнює 0.1 кВт * год / кг, що не так і добре і не так погано. Ми знаходимося між бензином (10 кВт * год / кг) і Liion (0.1 кВт * год / кг), ближче до акумуляторів.

Людина - споживач сонячної енергії. 1-2 сонячні панелі

Сьогоднішня сонячна панель дає близько 300 Ватів у піку, в помірних широтах середній КІУМ до 20% (сонце світить лише вдень та слабо). Ми знаємо, що людина недовговічна, але все-таки акумулятор, тому в середньому 2 панелей достатньо, щоб людина харчувалася тільки сонцем.

Якщо відкинути умовності та зробити невеликі прориви в технологіях (використання дорогих елементів дозволяє досягати до 40% ККД у панелях), людині буде достатньо носити «сонячний одяг» для того, щоб отримувати всю необхідну енергію.

Людина - обігрівач

Процитую статтю про одяг: у спокої людське тіло виробляє 80 ват тепла, а втрачає при цьому за рахунок дихання 10 ват, теплового випромінювання - 30 ват, теплопровідності та конвекції - 20 ват, випаровування вологи - 20 ват.

Виходить людина вкрай слабкий обігрівач.Домашні обігрівачі споживають по 1 кВт і покривають потреби на обігрів лише частково. Підігрів води та обігрів приміщень у принципі є найбільшим енергоспоживанням домашнього господарства. Наведу свій річний розклад:

- Переміщення (транспорт, паливо): 8000 кВт * год за рік.
- Електрика: 2500 кВт * год за рік.
- Підігрів води та обігрів: 30 000 кВт * год на рік.

Виходить на середній щоденний підігрів води та обігрів йде до 100 кВт * год на день, що в 50 разів більше, ніж людина в принципі споживає.

Людина - засіб пересування (автомобіль, пішохід, велосипед)

Людина як активна жива істота може переміщатися у просторі. Припустимо, людина може переміститися на 30 км за день пішки і на 120 км за день на велосипеді. Це не максимальні значення, звичайно спортсмени пробігають до 100 км і проїжджають до 1000 км за день.

Спробуємо порівняти людину як ефективну систему міграції людини.

— Автомобіль із ДВЗ витрачає в середньому 5 л на 100 км, 1 літр = 10 кВт*год, що дає 500 Втч на км
- Електромобіль - 150-200 Вт * год на км
- Пішохід - 2 кВт * год розділити на 10-50 км, 50-200 Вт * год на км
- Повільний/маленький електромобіль - 50-100 Вт * год на км
- Електровелосипед - 10 Вт*год/км (Середня швидкість 10-15 кмч)
- Велосипедист - 2 кВт * год розділити на 100-1000 км, 2-20 Вт * год на км

Знаєте ще цікаві збіги – пишіть у коментарях.
Дякую за увагу.

Яку потужність виділяє людина?

Потужність - це одна з найважливіших енергетичних характеристик рухової активності людини. Вважається, що при спокійній ходьбі середня потужність становить 70–90 Вт. Однак людина може розвивати значно вищу потужність.Наприклад, при стрибках з місця або ривку при піднятті ваги його потужність може досягати 4-5 кВт.

Протокол проведення роботи

1. За допомогою ваги визначте масу m тіла людини, потужність якої ви хочете визначити.
2. Виміряйте висоту одного ступеня сходів, визначте число сходів між двома (або трьома) поверхами та загальну висоту h підйому.
3. Знаючи масу тіла випробуваного, обчисліть роботу при його переміщенні на цю висоту за формулою: A = mgh, де m – маса людини, g – прискорення вільного падіння (прийняти рівним 9,8 м/с 2), h – загальна висота підйому.
4. Виміряйте час t підйому сходами.
5. Розрахуйте потужність N, яку розвиває людина під час підйому сходами, за формулою: N = A/t, де A – обчислена робота, виконана під час підйому.
6. Можна обчислити потужності людини при спокійному і швидкому підйомі сходами і порівняти отримані значення. Для кожного такого виміру заповніть окрему анкету.
7. Заповніть анкету проектного завдання.
8. Ознайомтеся із результатами інших учасників.
9. Сформулюйте висновки.
10. Беріть участь у обговоренні результатів проектного завдання.

Техніка безпеки

Будьте обережні, якщо піднімаєтеся сходами з високою швидкістю. Проводьте дослідження у безпечному місці.