|
我思考这个问题的时候，眼睛正在盯着自行车的计速器看。这样很危险，小朋友们请不要模仿。 假定人在无坡度的公路上骑行，不考虑风向，则风阻与骑行速度成正比；并且当骑行速度足够快时，系统（此系统指的是人与自行车）的主要阻力即为风阻。
此时我的瞬间速度达到了46km/h，约合12.8m/s，则系统每平方米受到的风阻为145牛顿左右。系统的骑行面积（指我和车垂直受到空气阻力的面积）无法精确测量，只能说个大概：由于我弓着腰低着头，我的骑行高度（从后背的最高点到脚）大约只有110cm，横向面积以肩宽计为40cm，那么我的骑行面积是0.44㎡。按一般经验，自行车本身占据30%的骑行面积，也就是说我的骑行面积是系统骑行面积的70%，可得系统的骑行面积为0.63㎡。
由于P=Fv，F=145N/㎡*0.63㎡，v=12.8m/s，初步可得我的瞬间功率为1173W。考虑到我忽略了地面的摩擦、自行车内部的摩擦，我的瞬间功率大概接近或超过了1300W。
CYCLE SPORT杂志的曾测量公路车选手终点冲线速度的前5快纪录，均超过了70km/h。如果选手的身材与我近似，那么他们的瞬时功率达到了4500W。当然，专业运动员有降风阻的装备，穿骑行鞋也可以有效提高做功效率，但是他们的瞬时功率，至少可以认为超过了3500W。 但是作为一个学过医学生理学和生物化学的人，这样算实在是太低端——当然啦，生物狗和物理狗互相都没有瞧不起对方的资格，双方应该惺惺相惜才是。 人体功率的另一种计算方式是计算人消耗了多少葡萄糖，这个量不好直接计算，那么先计算人消耗了多少氧气。 静息状态下（所谓静息，就是不运动也不动脑的状态，可以理解为睡着时的状态），男性（65kg）的潮气量约为6.7L，由于人吸入空气中氧气含量为20.9%，而呼出的气体中氧气的含量为16.3%，故人每分钟的耗氧量为0.31L。室温下，1摩尔氧气的体积为22.4L，则人每分钟的耗氧量为13.8mmol。 由于人体的生化反应涉及三羧酸循环，这是非生物狗难以理解的。这里不考虑蛋白质的转化和脂肪的动员，姑且把葡萄糖燃烧产生的热量视为人体的静息功率。葡萄糖的热值为3×10^6J/mol，1摩尔葡萄糖完全燃烧需要耗氧6摩尔，如此可得人每分的耗糖量为13.8mmol/6=2.3mmol，每分钟产生的能量为6913.8焦耳，人的静息状态功率大约是115W。 课本告诉我们，人体代谢产生的能量，大部分都作为热量散耗了（也可以美其名曰“维持体温”），而且静息状态下的人并没有做任何功，研究这个功率的意义也不大。我费半天劲只是向大家展示计算过程。 那么问题来了，运动员的功率能达到多少？ 课本告诉我们，运动员在剧烈运动时的潮气量可以达到100L以上，为静息状态的15倍。那么剧烈运动时的功率呼之欲出——115W*15倍=1725W。这里需要说明的是，1725W是理论值，实际情况中是远远达不到的。原因有包括但不限于如下三条：1.你呼吸的空气并非全部进入肺泡，有一部分停留在鼻咽喉、气管、支气管组成的呼吸道中了，这些地方叫解剖无效腔；2.你吸入肺泡里的空气并不全部参与氧交换，这些地方叫生理无效腔；3.随着呼吸频率的增高和潮气量的增高，你呼出的氧气浓度也提高，因为空气停留在你体内的时间变短，氧气融入血红蛋白的时间变短，因此氧气的吸收变得不那么充分，这意味着人的耗氧量并不是随着肺通气量线性上升。如此一来，我们需要给这个1725W打个八折，大概1400W左右。由于1马力=735瓦，那么你是超级玛丽！ 或者相当于两匹马的力！
那么问题来了——
为什么用生物算法算出的最大肺通气量提供的能量（1400W）要比用物理算法算出的自行车手冲刺时（3500W）低这么多？更何况，最大肺通气量提供的能量是“总功率”，有一部分是以热能形式耗散的“额外功”，而冲刺功率是“有用功功率”。本着科学的精神，因为科学有可重复性嘛，我们再用物理算法算一个功率来—— NBA的猩猩们跳得很高。霍华德身高211cm，体重120kg，他的原地纵跳高达1.05m，助跑摸高，据他讲可以摸到篮板上沿，但是测试表明他只能摸到3.88m，也就是说他的助跑跳高度约为1m。由于v^2=2gh，霍华德的起跳速度达到了4.4m/s。由于E=1/2mv^2，霍华德起跳做功约1176J。又因为起跳过程近似匀加速运动，霍华德起跳距离以0.7m计，其起跳时间估算0.3s。故霍华德的瞬时功率达到了4000W。 为什么最大流量的氧气提供给运动员的能量远远不能满足运动员自身的爆发呢？原因在于运动员在处于短时爆发期时，其主要能量来源于无氧呼吸而非有氧呼吸。无氧呼吸过程中，葡萄糖在短时间内被大量消耗，生成丙酮酸（之后变成乳酸，所以会全身很酸）。但是无氧呼吸提供的能量像是行内汇款，是即时到账的，并不像余额宝得等两个小时，或者微信钱包得等一天。 如图，在短时间内，无氧呼吸会迅速释放能量。课本上讲，百米跑运动员的能量来源，有超过80%是无氧呼吸得来的。 如果只是爆发几下，比如扣几个篮，那么乳酸不会发生堆积。但是要是篮球打全场、自行车骑几个小时或者跑一个长跑，乳酸就会发生堆积。 总解一下：人体的静息功率约为115W，其中大部分以热能形式耗散了。耐久型运动的运动员功率超过1000W，需要瞬间爆发力的运动员，其功率可超过3000W。一舅得死。 |
|
|
