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人那麽大一個,為什麽人體的持續輸出功率才那麽低,才一兩百瓦?

2021-11-05科學

一兩百W?

高了。

人在躺平狀態下,功率也就70W左右。

當然,如果這個時候你身邊突然出現兩條惡狗,你瞬間處於應激狀態,腎上腺素大量分泌, 你的功率可以瞬間提升10多倍,達到750W以上。

當然,如果你是運動員或者天賦異稟,甚至可以超過1000W。

  • 人體不同狀態下的功率,見表 [1]
  • 人體表面積是1.5~2m^2,表中是單位面積的功率

    那為什麽普通人的最大功率只有750W左右呢?

    主要在於3點:

    1、你的肌肉能力根本做不到超過1000W。

    2、功率太高,對於人體來說太過於浪費,有效利用率很低。

    3、熱量太多,人體散熱不了,直接熱死。

    接下來,我們詳細探討,肌肉的做功情況。

    現實情況中,肌肉纖維狀態相同的情況下,力量和肌肉橫截面積呈正比。

    雖然有個體差異,但你我都是智人嘛,差別不大。

    理論上來說,對於肌肉快慢肌組成相同,且肌肉維度差不多的人來說,極限功率也是差不多的。

    那是什麽限制了這個極限功率的上限呢?

    運動效率,也即 肌肉功率

    就如同機械一樣,一個人在全力運動的時候,肌肉功率是有一個上限的。

    人體運動時,肌肉收縮的力-速關系,滿足以下的規律 [2]

    A到B的曲線,是肌肉收縮速度和有效肌肉力量的關系。

    當人在起跑的時候,有效力量最大,隨著速度越來越快,肌肉收縮效率逐漸下滑。在不考慮其它外力的情況下,當肌肉達到速度極限,收縮的力量對外全部無效做功。

    而最大值為D的拋物線,則是肌肉運動時的有效功。當肌肉速度為零,或者力量為零的時候,有效功都為零。而在中間力-速適當的位置,有效功率最大。

    人進行不同的運動時,力-速關系,有著一定的差異:

    註意,這裏的橫座標是kg,轉化成N需要乘以10

    從曲線我們可以看出,一個人在不同的運動狀態下,肌肉效率是不同的。當速度達到最快的時候,雖然肌肉還在不斷的收縮,但肌肉張力已經為零,速度無法增加。

    人在極速奔跑狀態下,人體對外做功,主要對抗摩擦力和阻力做功。

    我們再來看看 阻力做功:

    以普通運動員8m/s的速度來說,看看受到的風阻有多大。

    風阻公式有:

    F=\frac12CρSV^2

  • C為空氣阻力系數,人介於球面和垂直面之間,不妨取0.8;ρ為空氣密度1.293kg/m^3。
  • S為迎風面積約0.3m^2;V為速度8m/s。
  • 那麽,計算得一個人急速跑的時候,受到的阻力為:

    F=10 N

    那麽阻力的功率為:P=FV=80W。

    在極速奔跑情況下, 人前進動力幾乎為零,其實摩擦力做功也近乎為零,哪怕考慮有些對地面的磨磨蹭蹭,也只會有少量做功,我們預估20W。

    加上阻力做功,那就是100W.

    而對於極速8m/s的人來說,根據身體素質不同,功率可達500W~1000W。

    也就是說,極速狀態下,至少數百W的功率,人體都內耗了。

    對外做功的功率僅僅10~20%,能夠達到20%都是優質運動員了。

    當然,由於此時對外做功都被阻力和摩擦力消耗了,對速度的功率是0。

    根據上面的曲線關系,如果你還想要提升速度。

    那就必須訓練,提升肌肉的效率。

    經過力量和速度訓練之後,人體的極限速度和力量都明顯提升。

    但提升一點點的速度,肌肉的功率卻需要大範圍的提升。

    從普通人到職業運動員,速度大約可以提升50%,那麽肌肉功率需要提升多少呢?

    很多人一看,可能會想,做功與速度平方呈正比,理論上只需要再加(1+50%)^2/1=2.25倍的做功就行了。如果原來60kg的人,6m/s,做功1080J,理論上功率提升的倍數是2.25倍,需要增加1350J就行了。如果加速時間慢一點,例如10s完成加速,那麽需要135W的功率就可以了?

    但其實,這樣計算是不正確的,因為完全沒有考慮到肌肉效率。

    先前我們已經透過風阻公式探討了,阻力是是速度的平方。那麽,速度提升0.5倍,阻力就變成2.25倍(提升1.25倍)。

    由於速度也提升到了1.5倍。

    那麽,阻力的功率是以前的:2.25×1.5=3.375倍。

    也即提升了2~3倍。

    如果肌肉效率不變的話,職業運動員比起普通人的能耗需要提升2~3倍,這是符合實際數據的。當然,對於有健身習慣的,差距可小於1倍。

    從這個公式關系,我們也可以看出。

    不說增加50%,哪怕僅僅增加25%,人體做功都需要翻倍,增加90%多。

    而做的功,絕大部份都在人體內部消耗。這些能量會轉變成熱量,給人體持續加熱。

    人在奔跑的狀態下,對外主要是透過出汗來和水分蒸發散熱。

    然而人體汗液的排出有限,骨骼肌能升高的極限溫度也只有40℃出頭。

    所以,人體增加不了多少速度,也就達到極限了。

    以上就是人體功率只有50~500W之間的主要原因。

    至於電腦,其實電腦各個部份的功耗是分開的。

    一般主機板、顯卡、CPU的功耗差不多都是幾十W,其它雜七雜八的配件還會消耗一些。

    如果我們把顯卡和人體的腿部肌肉來對比。

    你顯卡的功率極限也就上百了,而人類腿部肌肉功率可達幾百。

    當然你也可以對比一下CPU(大腦):人類大腦的精細結構和神經元的復雜程度,比電腦牛逼多了吧?而一些抽象宏觀的處理也是電腦做不到的(至於人腦沒有電腦精準和計算力,那是另外一回事了,以前我一篇回答討論過,這裏就不討論了。想看的,可以留個:門)。

    然而人腦消耗的功率也就差不多10~20W左右,功耗僅僅只有電腦CPU的1/5。

    這就顯示了大腦非凡的節能能力了。

    至於電磁爐,人家本家就是為了加熱食物的,溫度輕輕松松兩三百度。

    而人類的體溫必須恒定在37℃作用,無論你想要上天也罷,入地也好,你必須要保證你身體能產生的熱量能及時散掉,你才不會被熱死。

    我們單從斯特凡-波茲曼定律的角度來考慮的話。

    輻射度j*=εσΤ4,ε為輻射系數,σ 為斯特凡常量。

    金屬的輻射系數大約0.7左右,人體輻射系數0.9左右。

    可得,如果外界溫度32℃,電磁爐300℃高溫狀態下,單位面積的散熱速度大約是人體37℃時的:(573.15^4-305.15^4)/(310.15^4-305.15^4)×7/9≈133倍。

    也就是說電磁率單位面積的輻射效率是人體的133倍。

    如果人體單位面積能有這麽高的輻射功率,人體的總功率可達到10萬W。

    當然,如果能承受兩三千度的高溫時,就可以化身鋼鐵俠了。

    ◆至於鳥,沒有什麽可討論的。

    絕大多數鳥類都會借助上升氣流,除了燕類這種飛翔大師,連續煽翅都能長久不落地的,其它的鳥類不借助上升氣流的時候,在地面撲騰都十分困難。

    我們就簡單粗暴的計算一下,由於撲騰困難,實際撲騰的時候,力量勉強和體重相當。

    一般來說,全力起步的時候,功率會迅速增加,然後緩慢減小。

    哪怕我們對它高估一點,一開始出現最大功率的時候,速度達到1m/s。

    那麽對於這些鳥類來說,功率最高也就10W,哪怕考慮到20%~30%左右的肌肉效率,總功率也不過30W左右,這還是奮力的情況下。

    哪怕大鳥在靜息狀態下,也就幾瓦的功率,能達到人類功率1/10都很厲害了。

    至於完全靠自身能力飛行的燕類,由於體型太小,極限功率能有幾瓦就不錯了。

    當然,鳥類單位體積的功率是可以比人類高的。

    主要在於兩點:

    1、人家的體溫可以比人類高5℃,如果外界是20℃的話,單位面積的散熱速度可超過人類30%。如果外界是28℃,人家散熱速度超過人體的60%。如果是接近37℃的環境,如果不考慮其它條件,鳥類單位面積的散熱速度就遠遠超過人體了。當然,人體開了汗液蒸發的掛,高溫幹燥的環境下,人類可以彌補劣勢。

    2、鳥類體積比人類小得多,單位體重與單位表面積的百分比也更小,這讓鳥類在體溫環境溫差,與人類相當的情況下,單位體積的散熱速度也會比人類快5~20倍(倍數與尺度成正比)

    除了隼和鸮等,題主覺得鳥類力量厲害,其實是錯覺。因為體型小,就顯得力氣大的樣子。

    如果體型縮得更小,那力量看著還更厲害呢。

    你看,昆蟲輕輕松松就是幾十倍體重的力量,跳起來又是幾十倍身高的高度。

    總的來說,人的功率其實並不算低,不能提升是因為肌肉效率、體溫等極限卡死。

    至於題主對電器和鳥類的判斷,認知有一定的偏差。

    參考

    1. ^ [1]魏潤柏. 人體與環境熱交換計算方法[J]. 人類工效學, 1995, 001(002):39-42.
    2. ^ 駱建, 譚宏. 田徑運動專案的動力性力量訓練效果轉化為專項能力的原理探討[J]. 成都體育學院學報, 2003, 29(001):43-46.