Warum verbraucht Laufen mehr Energie als Gehen?

Der Hauptgrund ist, dass ein ideales Objekt im physikalischen Sinne funktioniert, aber ein biologisches Wesen hat so viele, viele Möglichkeiten, sich nicht wie ein ideales Objekt zu verhalten .

Man kann schätzen und rechnen, aber andere Antworten versuchen das. Ich werde nur versuchen, einige dieser großen Verhaltensweisen von nicht idealen Objekten zusammenzufassen

• Laufen beinhaltet mehr und abwechslungsreichere Bewegungen, es ist eine ganz andere Gangart. Es ist definitiv nicht nur die gleiche Bewegung wie Gehen, sondern schneller. Einige dieser Bewegungen sind vertikal oder beziehen sich auf Sprünge, andere haben Stoßdämpfungskomponenten und beziehen sich auf die Landung. Ein Großteil dieser zusätzlichen Energie wird in beide Richtungen abgeführt – wir verwenden Energie sowohl zum Springen als auch zum Abfedern und zum Anhalten bei der Landung. Wir beschleunigen auch unsere Füße, um sie an unsere Bodengeschwindigkeit anzupassen, und müssen sie bei jedem Schritt auf Null verlangsamen, dann beschleunigen und auch in die andere Richtung heben, und uns nicht nur auf die Schwerkraft und die Pendelaktivität verlassen. Die Tatsache, dass dies bei Extension und nicht bei Ground Impact ist, ändert nichts. Auch hier geht Energie in beide Richtungen verloren. Ich vermute auch, dass es schwieriger ist, über einen breiteren als einen engeren Bewegungsbereich effizient zu sein, daher bedeutet der größere Bewegungsbereich und die beim Laufen verwendeten Systeme, dass dies der Fall ist.
• Die Energiehandhabung / der Stoffwechsel der menschlichen groben Muskelbewegung ist nicht effizient und verhält sich nicht wie ein ideales Objekt . Wir haben mehrere Energiepfade und wechseln je nach Bedarf zwischen ihnen. Dies passiert weniger beim Gehen, mehr bei intensiver körperlicher Betätigung wie Laufen. Der Energiezyklus „Notfall“ oder „anhaltende Aktivität“, in den unser Körper beim Laufen wechselt, ist weniger effizient – ​​wenn er effizienter wäre, hätte er sich wahrscheinlich zu unserem primären und nicht zu unserem Fallback entwickelt. Und natürlich sind viele biochemische Reaktionen und Körperreaktionen einfach nicht linear; Sie können auch Mindest-/Maximalraten oder -dauern haben.
• Dadurch können andere Systeme aktiviert werden, die beim reinen Gehen nicht oder nicht gleich aktiviert werden. Zum Beispiel kann es allein aufgrund einer höheren Stoffwechselrate zu Veränderungen des Gehirnblutflusses, des Blutdrucks und des Energieverbrauchs kommen. Möglicherweise müssen wir beim Laufen, aber nicht beim Gehen (Schwitzen?) Wärmeverteilungssysteme aktivieren, die Produktion/Aufnahme einiger Neurotransmitter ändern (Stimulanzien? Oder andere, die das Aktivitätsniveau und den Energieverbrauch anderer Körpersysteme als Nebenprodukt beeinflussen) oder den Ton unseres ändern Blutsystem (verengt oder entspannt, um den Fluss unterschiedlich zu steuern). Wir können ganze Systeme deaktivieren - Verdauung, Darmtätigkeit. Die Rate der Produktion von Stoffwechselabbauprodukten (Milchsäure?) ist höher und erfordert möglicherweise zusätzliche Aktivität, um damit umzugehen. Es muss mehr Wasser geleitet werden, um all diese zusätzlichen Metaboliten und Produkte im Blutkreislauf in Lösung zu halten oder um anderes verlorenes oder verwendetes Wasser zu ersetzen. Wenn andere Produkte für die aktivierten Wege benötigt werden (keine Ahnung - Enzyme zum Beispiel?), dann müssen auch die Prozesse zu deren Herstellung im Körper aktiviert werden. Laufen verursacht, wie jede kräftige körperliche Aktivität, auch mehr Muskelfaserrisse und andere mikroskopische Schäden/Verschleiß, so dass es danach zu einer zusätzlichen Reparatur kommen kann. Mit anderen Worten, unser Körper kann im Hintergrund viele andere Prozesse starten oder stoppen.
• Laufen ist selten optimiert . Wir machen auch andere Bewegungen, aus Gewohnheit oder aus Notwendigkeit. Wir atmen anders, wir können Fäuste oder andere Muskeln ballen oder ein bisschen mit den Zähnen knirschen (Kiefermuskeln). Im Zusammenhang damit stellen wir möglicherweise fest, dass wir einige Skelettmuskeln steifer und nicht entspannt halten müssen, um zu verhindern, dass Körperteile "herumflattern" (ruckartige Bewegungen und möglicherweise Schäden beim Laufen), was beim Gehen nicht erforderlich wäre.

Diese Antwort kann völlig falsch sein. Siehe Diskussion in den Kommentaren. Die Formel für Macht auf halber Seite ist definitiv falsch. Wenn ein Moderator die Antwort löschen möchte, wäre das in Ordnung, aber ich lasse es bis dahin, da ich denke, dass die folgende Diskussion wertvoll ist. Ich denke, meine Formel für die durchschnittliche Leistung sollte 1/8 dessen betragen, was ich verwendet habe, was nicht mehr als der größte Teil des Energieverbrauchs gelten würde, selbst wenn die Muskelineffizienz berücksichtigt wird.

Der größte Teil des zusätzlichen Energieverbrauchs beim Laufen ist die Komponente Springen, nicht die Komponente, die für die horizontale Antriebskraft aufgewendet wird. Sobald Sie Ihre Höchstgeschwindigkeit erreicht haben, benötigen Sie nicht viel mehr horizontal aufgebrachte Kraft, um Sie in Schwung zu halten, als zum Gehen. Aber um diese Geschwindigkeit beizubehalten, müssen Sie einen Großteil der Zeit in der Luft verbringen, und die Auf- und Abbewegung kostet viel Energie.

Nachtrag mit aktueller Berechnung:

Ein typischer Läufer verbringt etwa die Hälfte jedes Schrittes (etwa 0,15 s) in der Luft, wenn er mit Geschwindigkeiten über 6 m/s läuft.$^1$Das heißt, die Schwerkraft arbeitet 0,15 Sekunden lang alle 0,3 Sekunden an ihnen. Wenn wir davon ausgehen, dass die Kollision des Läufers mit dem Boden bei jedem Schritt vollkommen unelastisch ist, dann müssen sie, um nicht flach zu fallen, einen zeitlich gemittelten vertikalen Schub mit einer Kraft ausüben, die halb so groß ist wie die Kraft, die die Schwerkraft auf sie während jeder 0,15-sekündigen Fallperiode ausübt .

aus$Pt = T = 1/2 mv^2, a = dv/dt$

wir haben:

So:

Das sind etwa 7 Watt pro Kilogramm des Läufers. Wenn Sie aus den Daten in (1) extrapolieren, wäre es deutlich weniger, wenn Sie langsam joggen würden (mehr Bodenkontaktzeit und weniger Luftzeit pro Schritt), und etwas weniger, wenn Sie sehr schnell sprinten würden (weniger Bodenzeit und Luftzeit pro Schritt , aber etwa gleiches Verhältnis von Boden- und Sendezeit). Natürlich ist Muskelkraft nicht zu 100 % effizient, daher würde ich erwarten, dass der tatsächliche Wert erheblich höher liegt.

Die Personen in der Studie "liefen" tatsächlich sehr langsam - 2,8 m/s, was eher einem faulen Joggen entspricht und fast keine Luftzeit pro Schritt beinhaltet. Daher ist es nicht verwunderlich, dass ihr Unterschied in der Leistungsabgabe gegenüber dem Gehen gering ist (245 Watt).

Die Eingabe von 0,05 s Flugzeit und 0,35 s Bodenzeit pro Schritt (aus (1)) in die obige Formel ergibt für einen 70-kg-Läufer:$P \approx 45\mathrm W$, so dass etwa 200 W als verschwendete Energie übrig bleiben.

1: http://gsnider.blogspot.com/2014/01/running-physics-redux-part-1-running.html

Ich habe einen Rechenfehler gemacht, als ich diesen Nachtrag zum ersten Mal gepostet habe.$P = 2m\Delta ta^2$wie ich schon sagte, aber wir wollen eine zeitgemittelte Leistung, während die durch die Schwerkraft aufgebrachte Leistung mit der Fallzeit gemäß der Formel zunimmt. Die Formel, die ich hätte verwenden sollen (jetzt behoben), ist$\langle P \rangle = m\Delta ta^2$

Über das Denken in Extremen

Viele Physiker denken gerne zuerst in Extremen. Geben Sie Ihnen ein Beispiel, oft kann ich sehen, dass ein Vektor eine Projektion eines anderen Vektors ist, dann ist mein erster Gedanke oft „Was ist die Antwort, wenn$\theta = 0$? Wie wäre es mit$\pi/2?$“ und das sind normalerweise Extremfälle: Etwas rollt eine nicht geneigte Ebene „herunter“, während sich das Ding im freien Fall befindet. Aber basierend auf diesen Fragen kann ich mit meiner Erfahrung so etwas aufschreiben$-\sin\theta.$Ich wusste, dass es eine Komponente einer Drehung war, also war es ein Sinus oder Kosinus oder so etwas, es war Null auf der flachen Ebene und$-1$Im freien Fall ist dies die einzige Funktion, die alle meine Anforderungen erfüllt.

Was ist also in diesem Fall der extremste Weg, um von Punkt A nach Punkt B zu gelangen? Vielleicht „kleine Schritte“ vs. „Ich schaffe die ganze Distanz mit einem erstaunlichen Sprung.“

Nun, wenn Ihre Vermutung richtig ist, sollten diese beiden wahrscheinlich genau den gleichen Energiebedarf haben, aber wenn Ihre Vermutung falsch ist, sind sie wahrscheinlich sehr unterschiedlich. Wahrscheinlich müssen Sie das eigentliche Experiment nicht ausführen. Das heißt, Sie haben wahrscheinlich genug Intuition, um sich nicht mit den kleinsten Babyschritten, die Sie aufbringen können, zu den Häuserblocks zu begeben, dann Ihre Entfernung des größten Standsprungs zu messen, den Sie ausführen können, und dann zu versuchen, diese Sprünge über denselben zu verteilen Zeitintervall, um zu sehen, ob sie zum gleichen Erschöpfungsniveau führen. Ihre Intuition sagt Ihnen wahrscheinlich, dass eines davon am nächsten Tag weh tun wird und das andere Sie auf unbestimmte Zeit weitermachen könnten.

Biophysikalische Aspekte

Also fragen wir uns wie gute Physiker: Warum tut das Springen mehr weh? Nun, ich habe diese Muskelfasern und sie werden beschädigt, wenn ich springe. Okay, aber warum passiert das? Nun, wenn ich lande, habe ich eine beträchtliche Menge an überschüssiger kinetischer Energie, und Energie wird konserviert, so dass sie dissipiert werden muss. Und es wird in diesen Muskelfasern zerstreut, es sei denn, ich wollte zerstreut werden durch das Brechen meiner Knochen oder die Reibung meiner Haut auf dem Pflaster. Das größere Problem hier ist, dass meine Muskelfasern ATP in ADP umwandeln und damit eine Muskelkontraktion antreiben können, aber sie verwenden keine Muskeldehnungen oder -kontraktionen, um das Gegenteil zu tun und ADP wieder in ATP umzuwandeln. Wir sind nicht in der Lage, „regenerativ zu bremsen“, daher muss die von uns erzeugte kinetische Energie abgebaut werden.

Dies ist tatsächlich sehr interessant, da es sich um ein Verhalten eines thermodynamischen Systems handelt, das weit vom Gleichgewicht entfernt ist. Im thermodynamischen Gleichgewicht sind Prozesse tendenziell reversibel und auch langsam. Ihre Muskeln arbeiten also gewissermaßen nur, weil sie ständig gekühlt werden. Und wahrscheinlich ist der evolutionäre Grund dafür, dass wir wollen, dass diese Prozesse sehr schnell ablaufen, schneller als die Muskeln unserer historischen Raubtiere und schneller als die Muskeln unserer historischen Beute.

Zurück zur Physik. Wir verstehen jetzt die Energieverschwendung beim Springen und Landen nach dem Springen. Aber Springen ist kein perfektes Modell für die Energieverschwendung beim Laufen, aus Gründen, die wir im nächsten Abschnitt untersuchen werden. Aber wir haben einen Hinweis, unsere Muskeln sind nicht reversibel. Hier sind einige andere Hinweise:

• Es ist möglich, auf einem Laufband zu laufen, und dies ist nicht wesentlich schwieriger als das Laufen auf einer ebenen Fläche. Dies weist darauf hin, dass die beteiligte Energie an der Aufrechterhaltung des Fahrzustands beteiligt ist, nicht an der tatsächlichen vorwärts gerichteten kinetischen Energie.
• Es ist auch möglich, in der Schwerelosigkeit auf der Internationalen Raumstation zu rennen – zumindest einen Tanz aufzuführen, der auf der Erde zum Laufen geführt hätte. Dies scheint jedoch ein ineffektives Mittel zum Trainieren gewesen zu sein, da sie ein Laufband haben und Sie in ein Geschirr mit federnden Bändern schnallen, die Sie am Laufband festhalten. Es ist also sicherlich ein Teil des Zurücksetzens des Schrittes, aber mindestens die Hälfte davon hat etwas mit unserem Gewicht zu tun. -Menschen können mit „Känguru-Stiefeln“ oder Fersenfedern, die als gute elastische Energiespeichermechanismen wirken, viel höhere Geschwindigkeiten erreichen.

Zum Zurücksetzen des Schritts: Ihr Fuß muss beim Bodenkontakt mit einer bestimmten Geschwindigkeit rückwärts gehen, damit Ihr Schuh nicht rutscht und Sie die Kraft, die Sie vorwärts treibt, effektiv übertragen können. Das Problem ist, dass Ihr Fuß dadurch am Ende des Schritts mit viel Energie zurückbleibt, die sehr schnell zur Vorderseite Ihres Körpers zurückkehren muss, um für einen weiteren Schritt vorbereitet zu sein, und während ein Teil davon umgeleitet werden kann, das meiste davon scheint wie bei einem Sprung aufgesogen zu sein. Aber noch einmal, wenn das alles wäre, warum das Laufband zur ISS schicken und nicht nur ein paar Bänder, die Sie an einem Ort aufhängen würden?

Welche Energieübertragungen induziert die Schwerkraft?

Ich habe oben behauptet, dass Springen ein schlechtes Modell ist, und dies wurde in Kommentaren ein wenig in Frage gestellt, also wollte ich mich selbst überprüfen, da die Biophysik so oft meinen gesunden Menschenverstand herausfordert. Zu diesem Zeitpunkt fand ich eine interessante Arbeit von Gullstrand et al. (2009) „Messungen der vertikalen Verschiebung beim Laufen, ein methodischer Vergleich.“ Gait & Posture 30: 71-75 ( Link ), in dem es hauptsächlich um ein anderes Thema geht, im Grunde darum, ob Sie einen Reflektor oder Beschleunigungsmesser anstelle eines ausgeklügelten Schwerpunktmodells verwenden können, um die vertikale Verschiebung während des Laufens zu ermitteln. Abbildung 4 dieses Papiers ist:

Abb. 4. Die Beziehung zwischen Schrittdauer (s) und CoM V _disp (m) für jeden Probanden bei allen Laufgeschwindigkeiten.

Das ist eine wirklich faszinierende Figur und ich musste sie eine Weile anstarren. Das erste Spannende, was man sich ansehen sollte, ist, wie eng alle Schrittdauern beieinander liegen. Fast alle Daten liegen zwischen 300 ms und 375 ms oder 200 Schritten/Minute bei schnellen Geschwindigkeiten bis 160 Schritten/Minute bei langsamen Geschwindigkeiten. Wir verdoppeln die Geschwindigkeit, aber die Schrittzahl erhöht sich nur um 25%, ich hätte mehr erwartet! Das bedeutet also, dass schnelleres Laufen eher eine Funktion der Erhöhung der Schrittlänge ist als die schnellere Bewegung der Beine, aber die schnellere Bewegung der Beine gehört sicherlich dazu.

Aber zu unserer Frage, die vertikale Verschiebung des Massenschwerpunkts ist ein direktes Maß der Gravitationsenergie während eines Schrittes, und wenn ich also durch die Schrittdauer teile, bekomme ich eine Kraft, die ausgeübt wird, um die „springende“ Bewegung zu bekämpfen. Auf der schnellen Seite sehe ich den Punkt (310 ms, 75 cm) also in der Mitte der Gruppe von Hochgeschwindigkeitsläufen, dieses Verhältnis liegt bei etwa 24 W/kg, während vielleicht (370 ms, 100 cm) mehr ist charakteristisch für die langsamere Geschwindigkeit, eher etwa 28 W/kg.

Basierend auf diesen Messungen habe ich also zwei Schlussfolgerungen. Das erste ist: „Das ist viel!“ ... Diese Läufer wiegen vermutlich mindestens 50 kg, so dass der Kraftaufwand im Kampf gegen die Schwerkraft bei etwa einem Kilowatt liegt! Nur zum Vergleich, der Basisstoffwechsel ist eine Größenordnung niedriger: 2000 kcal/Tag sind etwa 100 W, einige Ratschläge im Internet sagen, dass man sich eine Stunde lang im Bereich von 50-150 W bewegen sollte, also ist das Training normalerweise niedriger sowie.

Aber die andere Beobachtung ist, dass Sie bei höheren Geschwindigkeiten tatsächlich weniger gegen die Schwerkraft pro Zeiteinheit kämpfen , etwa 15% weniger Kraft, die bei doppelter Geschwindigkeit ausgeübt wird. Nun, ein Vorbehalt, der zentrale Zweck des Papiers bei der Aufnahme dieser Zahl ist zu argumentieren, dass Läufer bei langsameren Geschwindigkeiten nachlässiger sind: Ein Teil davon ist also eher auf individuelle Variabilität als auf eine physische Einschränkung des Problems zurückzuführen. Ich fühle mich also nicht wohl dabei zu sagen „Wir wissen, dass Sie bei höheren Geschwindigkeiten weniger gegen die Schwerkraft ankämpfen“ als eine Art Erklärung der Biophysik des Problems, ich kann mir durchaus vorstellen, dass trainierte Läufer im Wesentlichen 15 % nachlässiger sind, wenn sie mit langsameren Geschwindigkeiten laufen als bei hohen Geschwindigkeiten.

Aber so oder so, es ist nicht 100% höher oder was auch immer, wie Sie vielleicht erwarten würden, wenn dieser vertikale Verschiebungsmechanismus unsere Erschöpfung während des Laufens erklären würde. Flach oder abnehmend scheint durch die Beweise gestützt zu werden, ein steiler Anstieg ist erforderlich, damit es sich um eine mögliche Erklärung handelt. Das deutet also darauf hin, dass in unseren Beinmuskeln und Gelenken eine riesige Menge an Kraft gespeichert und elastisch abgegeben wird.

Also, was ist die Antwort?

Ich denke, was passiert, ist, dass unsere Schritte weniger effizient werden. Es ist klar, dass so viel Kraft gegen die Schwerkraft hin und her ausgeübt wird, dass wir beim Laufen unglaublich elastisch sein müssen, allein diese Anzahl von 1-kW-Energieübertragungen beim Training, die 100 Watt Kalorien verbrennen, bedeutet, dass wir ungefähr 90 haben müssen % Effizienz.

Also stelle ich mir die Energieübertragungen als eine Art undichten Schlauch vor, der sich im Kreis bewegt. Es gibt diesen konstanten Energiefluss zwischen den Federn unserer Beine und der potenziellen Gravitationsenergie, und es ist eine Menge Energie, die hin und her schwappt – aber sie wird tatsächlich nicht viel größer oder kleiner, wenn Sie schneller oder langsamer reisen. Dieser Fluss ist mehr oder weniger festgelegt. Aber wenn wir diese etwas schnelleren Schritte machen und sie auch deutlich länger machen, drücken wir unsere Muskeln mehr in ein unelastisches Regime, und so verlieren sie immer mehr Energie. Und diese Energie kann von unseren Systemen nicht zurückgewonnen werden, weil wir Nichtgleichgewichtssysteme sind.

Beim Laufen benötigen die Muskeln einen höheren Sauerstoffverbrauch, daher wird erwartet, dass ein erheblicher Teil der ATP-Synthese den Fermentationsweg nimmt, der bewusst weniger effizient ist als die übliche Zellatmung .

Das Springen von selbst sagt alle in der Arbeit gefundenen Ergebnisse genau voraus, wie unten gezeigt wird.

Der Einfluss der Reibung auf den Energieverbrauch beim Gehen und Laufen ist nahezu vernachlässigbar. Betrachten Sie zunächst die Bodenreibung : Sie gilt nur, wenn Ihr Fuß beim Gehen den Boden berührt. An diesem Punkt gibt es keine relative Bewegung zwischen Ihren Füßen und dem Boden, und daher ist die Arbeit (sofern Sie nicht ausrutschen) erledigt$\approx 0$. Zweite Luftreibung : Obwohl kleine Korrekturen in Betracht gezogen werden müssen, je nachdem, wie schnell Sie laufen, ist sie normalerweise nicht die Hauptursache für den Energieverbrauch, wie Sie durch Laufen auf einem Laufband beweisen können. Schauen Sie sich das Papier an und beobachten Sie, dass es auf der Fadenmühle läuft:$481 \, \mathrm{J}$und auf der Strecke:$480 \, \mathrm{J}$, dh überhaupt kein Unterschied.

Der Hauptgrund für den Energieverbrauch beim Laufen und Gehen ist die Arbeit, die gegen die Schwerkraft verrichtet wird, und da die horizontale Verschiebung senkrecht zur Schwerkraft ist, kostet sie Sie nichts und ist völlig irrelevant. Das ist der Fehler in der Argumentation der Autoren: Sie bewegen eine „ bestimmte Masse “ senkrecht zur relevanten Kraft.

Ursache 1: Der Hauptgrund für den beobachteten Unterschied: Springen

Im Gegensatz zur Bewegung mit Rädern hat die Bewegung mit den Beinen eine vertikale Komponente. Lassen$r$sei die Länge deines Beins, gemessen von der Hüfte bis zum Knöchel. Wenn Sie gerade mit gestreckten Beinen beginnen, befindet sich Ihr Körperschwerpunkt (ungefähr auf dem Bauchnabel) auf Höhe$h_0$. In dem Moment, in dem Ihr vorderer Knöchel den Boden berührt, wobei Ihre Füße maximal getrennt sind, wird Ihr Schwerpunkt auf die Position „fallen“.$h_1$um den Betrag

Wo$\alpha$ist der Winkel, den Ihre Beine und die Normallinie zum Boden bilden. Dieser Herbst kostet Sie nichts. Es geht auf Kosten der Schwerkraft. Um jedoch Ihre Höhe in der Mitte Ihres Gangs wiederzuerlangen, müssen Sie Muskelkraft einsetzen und zurück „klettern“.$h_0$. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jedem Schritt, und dadurch sieht die Bewegung des eigenen Massenschwerpunkts wie eine Auf-und-Ab-Welle aus (siehe gepunktete Linie im Bild unten). Sogar dachten Sie noch am Boden, danach$n$Stufen, die Sie erklommen (und gefällt) haben, eine äquivalente Höhe von

^{Die Bewegung mit den Beinen beinhaltet eine vertikale Auf-und-Ab-Komponente, die wellenartig ist und die für den Energieverbrauch beim Gehen verantwortlich ist: Siehe gestrichelte Linie. Aus: „Three-Dimensional Gait Analysis Can Shed New Light on Walking in Patients with Haemophilia“ , Sebastien Lobet et al., Keine Änderungen am Bild vorgenommen}

Und führte eine Arbeit von

Wo$mg$ist das Personengewicht und$\Delta h$ist die durchschnittliche vertikale Verschiebung des Bauchnabels der Person bei jedem Schritt. Aus$(3)$Sie können sehen, dass der Energieverbrauch von der Gesamtzahl der Schritte und vom Gewicht der Person (wie erwartet) abhängt. Diese Abhängigkeit vom Gewicht erklärt, warum Frauen nach der Übung in der Arbeit einen geringeren Energieverbrauch hatten. Es geschah, weil sie leichter waren. Beachten Sie, dass das Verhältnis zwischen dem Durchschnittsgewicht des Mannes und dem Durchschnittsgewicht der Frauen ($76.6 \, \mathrm{kg} / 63.9 \, \mathrm{kg} \approx 1.2$) ist das gleiche wie das Verhältnis des durchschnittlichen Energieverbrauchs des Mannes zum durchschnittlichen Energieverbrauch der Frau ($520.6 \, \mathrm{kJ}/ 441.1 \, \mathrm{kJ} \approx 1.2$).

Während eines Laufs nimmt dieses Muster (die vertikale Bewegung) erheblich zu und wird zu kleinen Sprüngen. Das Verhältnis der geleisteten Arbeit beim Laufen vs. Gehen ist

Wo$N$ist die Gesamtzahl der gelaufenen Schritte.

Von dieser , dieser und dieser Papiere bekommen wir$\Delta h_{walk} \approx 5 \, \mathrm{cm}$,$\Delta h_{run} \approx 12 \, \mathrm{cm}$,$n \approx 2352^1$,$N \approx 1882^1$Deshalb

Ursache 2: Wärmeableitung.

Wie Sie bemerkt haben, gibt es beim Laufen eine höhere Leistung im Spiel. Diese erhöhte Leistung würde eine Person überhitzen, was ein potenziell lebensbedrohlicher Zustand ist. Um ein solches katastrophales Ereignis zu verhindern, beginnt unser Körper zu schwitzen, um ein natürliches Luftkühlsystem zu schaffen, da flüssiges Wasser eine erstaunliche Menge benötigt$2260 \, \mathrm{kJ/kg}$der latenten Verdampfungswärme zu verdampfen. Wenn ein solcher Vorgang eine reguläre verhindern würde$65 \, \mathrm{kg}$Jogger vor Überhitzung durch eine gefährliche$2 \,^{\circ} \mathrm{C}$, dies würde einen Energieaufwand von$170 \, \mathrm{kcal}$. Dieser Effekt würde sich mit zunehmender Laufdauer häufen, bis hin zu erheblichen Auswirkungen bei einem Halb- oder Marathon.

Ursache 3: Stoffwechseleffizienz:

Aufgrund des erhöhten Sauerstoffbedarfs starten Ihre Zellen einige anaerobe Abkürzungen zum Glykosestoffwechsel und bauen Milchsäure auf, was erstens zu einem weniger energieeffizienten Prozess führt und zweitens, da diese Milchsäure dem Läufer Probleme bereiten wird, z B. Schmerzen, wird ein Teil davon ohne weitere Metabolisierung aus Ihrem Körper ausgeschieden und seine Energie wird verschwendet.

Ursache 4: Windwiderstand:

Der Windwiderstand steigt mit der Geschwindigkeit.

Ursache n: Nicht ideale Maschine in einer nicht idealen Umgebung:

Da sich eine nicht ideale Maschine in einer nicht idealen Umgebung bewegt, können Geschwindigkeitsänderungen verschiedene Arten von Energieverlusten verursachen. Zum Beispiel die Intensität von Schallwellen, die beim Aufschlagen auf den Boden entstehen, Bodenreibung, Muskel- und Sehnenelastizität, … Sie nennen es …

$^1$Schritte für$1607 \, m \approx 1$Meile.

Ein Unterschied ist der Luftwiderstand, der eine Skalierung des Leistungsbedarfs mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit aufweist.

Ich konnte nicht einfach eine Bewertung des Luftwiderstands beim Laufen finden, aber dies wird üblicherweise beim Radfahren berechnet, und ein Radfahrer ist auch ein aufrechter Mensch. Natürlich sind die Bodenverluste unterschiedlich (Rollen ist effizienter als die intermittierende Bewegung des Laufens), daher ist dies kein vollständiges Bild, sondern nur eine Schätzung eines Elements. Setzt man die Zahlen aus dem in der Frage verlinkten Abstract (1,41 oder 2,82 m/s, 1600 m Distanz) in einen Radleistungsrechner mit einem Läufer von 70 kg und einem schwerelosen Rad ein, ergibt sich ein Aufwand von 27 kJ im Schritttempo und 37 kJ beim Laufen nur zum Überwinden Luftwiderstand. In Bezug auf die Leistung sind dies 7 W für fast 17 Minuten zu Fuß oder 16 W für fast 10 Minuten zu Fuß.

Dies ist übrigens der Grund, warum Langstreckenlaufrekorde ein Team von Tempoläufern verwenden . Sie fahren offensichtlich schneller, also hat der Luftwiderstand einen größeren Effekt.

Der Fehler in Ihrer Argumentation besteht einfach darin, dass sich die meisten Systeme nicht wie ideale und vereinfachte Systeme verhalten. Dies gilt insbesondere für biologische Lebewesen.

Im Idealfall ist die für die Bewegung benötigte Energie 0. Energie wird nur für eine Erhöhung der potentiellen Energie oder der Geschwindigkeit benötigt. Bei Menschen ist dies jedoch eindeutig nicht der Fall. Gehen ist ein Prozess, bei dem etwas einfach dem ersten Newtonschen Gesetz folgt, aber eher eine Person, die nach vorne fällt und sich selbst auffängt.

Es ist klar, dass einige Bewegungsmethoden effizienter sein werden als andere. Leapfrogging ist weniger effizient als Laufen, aber effizienter als auf dem Boden zu rollen.

Warum Laufen schneller ist als Gehen, ist eine komplizierte Frage und wahrscheinlich besser für einen Biologen geeignet. Hier sind jedoch einige Gründe.

Ziehen

Höhere Geschwindigkeit bedeutet mehr Luftwiderstand. Das bedeutet, dass Sie mehr Arbeit leisten, um dem Effekt der Luftreibung entgegenzuwirken. Diese Energie wird als Wärme abgegeben.

Pendelbewegung

Deine Beine verhalten sich wie ein Pendel. Bei der idealen Gehgeschwindigkeit schwingen Ihre Beine in der Eigenfrequenz. Bei Laufgeschwindigkeit müssen Sie Energie aufwenden, um Ihre Beine nach hinten zu beschleunigen und zu zwingen.

Vertikale Bewegung

Dein Körperschwerpunkt geht beim Laufen mehr nach oben und unten. Wenn Ihr Schwerpunkt nach unten geht, verrichtet die Schwerkraft Arbeit. Sie gewinnen diese Energie jedoch nicht zurück. Tatsächlich müssen Sie Energie aufwenden, um Ihre Abwärtsgeschwindigkeit zu stoppen. Sie brauchen auch Energie, um sich wieder hochzudrücken.

Gleichgewicht

Sie müssen mehr Energie aufwenden, um beim Laufen das Gleichgewicht zu halten. Zum Beispiel müssen Sie Ihre Arme mehr hin und her bewegen und wieder nicht in ihrer natürlichen Frequenz.

Üben

Laufen und Gehen sind beides Fähigkeiten. Sie werden mit Übung besser darin. Besser bedeutet in diesem Fall effizienter. Da eine Person normalerweise mehr Zeit damit verbringt, Gehen zu üben als Laufen, ist sie besser im Gehen.

Ein häufiger Stolperstein, auf den in den anderen Antworten und Kommentaren hingewiesen wird, ist die Unangemessenheit, einen Läufer als punktförmiges Objekt ( ein kugelförmiger Läufer im Vakuum ) zu modellieren, wie dies in der einfachen klassischen Mechanik der Fall ist. Tatsächlich kann die kinematische oder dynamische (im Sinne der Newtonschen Gesetze) Beschreibung eines Läufers komplexere Modelle erfordern. Andererseits leiden energetische und thermodynamische Argumente nicht unter dieser Einschränkung.

Eine ziemlich allgemeine Antwort, die in der grundlegenden Mechanik gegeben wird ( und auf Objekte anwendbar ist, die nicht punktartig sind ), lautet, dass die Kraft proportional zur Kraft mal der Geschwindigkeit ist:

Ob die Kraft konstant ist oder mit der Geschwindigkeit zunimmt, hängt davon ab, wie wir das Laufen modellieren. Es ist unsere tägliche Erfahrung, dass wir stehen bleiben, wenn wir keine Kraft anwenden (z. B. wenn wir aufhören, unsere Beine zu bewegen). Der wahrscheinlichste Grund ist der Luftwiderstand. Wir könnten also die Newtonsche Gleichung schreiben als

Anmerkung

• Beachten Sie, dass diese einfache mechanische Berechnung den Energieaufwand für die Bewegung der Teile unseres Körpers ignoriert. Da unsere Bewegungen beim Gehen und Laufen ziemlich unterschiedlich sind, ist die obige Diskussion eher auf schnelles vs. langsames Gehen anwendbar als auf Laufen vs. Gehen.

Als Läufer seit mehreren Jahrzehnten kann ich bestätigen, dass eine beträchtliche Menge an Körperwärme erzeugt wird, und je schneller man läuft, desto mehr Wärme. Außer bei relativ kaltem Wetter bedeutet dies, dass der Körper die Wärme entsorgen muss, was noch mehr Energie kostet.

Racewalking: Beim Gehen wird mehr Energie verbraucht als beim Laufen mit der gleichen Geschwindigkeit.

Andere Antworten behandeln sowohl das Laufen als auch das Gehen mit der üblichen Geschwindigkeit der entsprechenden Aktivität.

Man kann mit jeder Geschwindigkeit zwischen 0 und seinem Maximum laufen und mit jeder Geschwindigkeit zwischen 0 und seinem Gehmaximum gehen.

Und es gibt eine Reihe von Geschwindigkeiten, bei denen Gehen möglich ist, Laufen jedoch effizienter ist.

Menschen (wie auch andere Tiere, insbesondere Pferde, die sich auf etliche verschiedene Arten fortbewegen können) wechseln instinktiv zwischen verschiedenen Modi mit mehr oder weniger der richtigen Geschwindigkeit.

Warum gibt es überhaupt verschiedene Modi?

Menschliche Muskeln können zwei Arten von Arbeit leisten:

• statisch (einfach an etwas ziehen, ohne dass es sich bewegt oder sogar in die entgegengesetzte Richtung bewegt)
• dynamisch (etwas ziehen, arbeiten im physikalischen Sinne des Wortes)

Durch die Erhöhung der Geschwindigkeit erfordert das Gehen immer mehr statische Arbeit, nur um die Füße auf dem Boden zu halten. Irgendwann wird das Laufen leichter – auch mit der zusätzlichen Arbeit, die für höhere Sprünge nötig ist (ein Teil der Sprungenergie wird durch das Auffedern auf dem nächsten Bein zurückgewonnen).

Als extremes Beispiel: Kängurus. Ihre Muskeln haben eine dritte Wirkungsart: elastisch. (Menschliche Muskeln können dasselbe tun, aber weniger effizient.) Sie können ihre Muskeln als Federn verwenden und diese Fähigkeit für ihre berühmten Sprünge nutzen.

Biomechanische Effizienz.

Gehen hat eine höhere Effizienz, dh Sie erzeugen mehr Einheiten nutzbarer Verschiebung pro aufgewendeter Energieeinheit. Betrachten Sie die Fortbewegung auf Rädern mit eigener Kraft, das Radfahren: Es ist noch effizienter, und deshalb können Sie mit der gleichen Anstrengung weiter und schneller reisen.