Welche Beziehung besteht zwischen Kraft, Körperkraft, Energie und Arbeit?

Wir müssen aus zwei Gründen zuletzt über körperliche Stärke sprechen: (1) wir müssen zuerst die anderen physikalischen Begriffe klar definieren, und (2) körperliche Stärke bringt uns in die Biophysik, also müssen wir darüber sprechen, wie Muskeln Kraft erzeugen, usw.

"Kraft" ist ein Stoß oder ein Zug oder eine Drehung (wenn eine Drehung, dann wird sie auch als "Drehmoment" bezeichnet). Kraft ist das, was erforderlich ist, um ein Objekt zu beschleunigen (die Geschwindigkeit oder Richtung zu ändern).

In der Physik sind Energie und Arbeit mehr oder weniger dasselbe, ineinander umwandelbar. Arbeit ist definiert als Kraft multipliziert mit der Entfernung, über die diese Kraft ausgeübt wurde. Also zum Beispiel, wenn sich eine schwere Kugel (wie eine Bowlingkugel) nicht bewegt. Und Sie schieben es mit einer bestimmten Kraft über eine bestimmte Strecke, Sie bringen es zum Rollen. Sie haben eine „Kraft mal Entfernung“-Menge an Arbeit an diesem Ball geleistet, um ihn ins Rollen zu bringen. Es rollt weiter und rollt jetzt mit einer Energiemenge, die der Arbeit entspricht, die Sie an ihm geleistet haben. Natürlich gibt es auch bei einer Bowlingkugel eine gewisse Reibung zwischen der Kugel und dem Boden. Diese Reibung wirkt sich auch auf den Ball aus und verlangsamt ihn allmählich. Die Menge an Arbeit, die die Reibung an der Kugel verrichten muss, um sie vollständig zum Stillstand zu bringen, ist genau gleich der Menge an Arbeit, die ursprünglich an der Kugel verrichtet wurde.

Ich hoffe, das hilft, Ihnen ein Konzept zu geben. Zusammenfassen:

Arbeit = Energie = Kraft x Weg

Oder Kraft = Energie / Distanz.

Stellen Sie sich die letzte Gleichung so vor: Je mehr Kraft Sie auf die Kugel ausüben, desto kürzer ist die Distanz, über die Sie sie zum Stehen bringen können, je mehr Energie Sie mit der Bowlingkugel rollen.

Nun, um körperliche Kraft zu verstehen, müssen wir zuerst etwas darüber verstehen, wie Muskeln funktionieren. Dies wird eine sehr rudimentäre, vereinfachte Beschreibung sein: Muskeln enthalten Fasern, die aus Strängen von Muskelzellen bestehen. Jede Muskelzelle hat die Fähigkeit, sich zusammenzuziehen. Muskelkontraktion ist im Wesentlichen eine Kraft, die über eine Strecke ausgeübt wird (d. h. Arbeit oder Energie). Die Kraft und der Abstand, die für eine einzelne Muskelzelle erforderlich sind, sind jedoch sehr gering. Die Energie, die benötigt wird, um diese Zellbewegung zu erzeugen, ergibt sich aus einem Fluss oder einer Bewegung von Ionen oder einer elektrischen Ladung, nicht allzu unähnlich dem Fall von Wasser, das über einen Wasserfall fällt. Die Ionen strömen beim Öffnen durch bestimmte „Öffnungen“ oder „Tore“ in der Zellmembran. Sobald die Ionen jedoch durchfließen, müssen wir die Ionen irgendwie zurück auf die andere Seite bringen, damit sie wieder durchfließen können. Dies geschieht durch bestimmte Arten von Proteinmolekülen, die an den Ionen arbeiten und sie zurück auf die andere Seite der Muskelzellmembran pumpen. Sie sehen also, dass auf zellulärer und molekularer (chemischer) Ebene viel Arbeit (Kraft mal Entfernung) vor sich geht. Die Kräfte, die von einem einzelnen Ion und sogar von einer einzelnen Muskelzelle, durch die Millionen von Ionen fließen, erzeugt werden, sind sehr gering. Wenn sich jedoch Millionen von Muskelzellen gleichzeitig zusammenziehen, können sie zusammen eine erhebliche Kraft erzeugen (ausreichend, um eine Bowlingkugel zu bewegen und mehr!). und selbst von einer einzelnen Muskelzelle, durch die Millionen von Ionen fließen, sehr klein ist. Wenn sich jedoch Millionen von Muskelzellen gleichzeitig zusammenziehen, können sie zusammen eine erhebliche Kraft erzeugen (ausreichend, um eine Bowlingkugel zu bewegen und mehr!). und selbst von einer einzelnen Muskelzelle, durch die Millionen von Ionen fließen, sehr klein ist. Wenn sich jedoch Millionen von Muskelzellen gleichzeitig zusammenziehen, können sie zusammen eine erhebliche Kraft erzeugen (ausreichend, um eine Bowlingkugel zu bewegen und mehr!).

Jetzt können wir allgemein und sehr vereinfacht über Stärke sprechen. Definieren wir für unsere Diskussion „Stärke“ als die „Menge an Kraft“, die ein bestimmter Muskel erzeugen kann. Angesichts der obigen Beschreibung von Muskeln sollte klar sein, dass mehr zusammenarbeitende Zellen in der Lage sein sollten, mehr Kraft zu erzeugen, ähnlich wie zehn Personen, die zusammen schieben, mehr Kraft erzeugen können, um ein Auto zu schieben, als nur zwei oder drei Personen, die zusammen schieben . Ein größerer Muskel hat mehr Zellen als ein kleinerer Muskel und hat daher eine größere "körperliche Kraft". Ich hoffe, das hilft.

Zu deinem Kommentar

„Heißt das also, wenn ich mehr Körperkraft oder mehr Energie habe oder mehr Arbeit verrichte, dann ist die Kraft höher oder ich kann eine höhere Kraft erzeugen und umgekehrt?“

Zur Verdeutlichung:
Wie ich es definiert habe, bedeutet „Körperliche Stärke“, dass Sie mehr „Kraft“ erzeugen können.

Hier spielen jedoch viele Faktoren eine Rolle. Denken Sie zunächst daran, dass Energie Kraft mal Entfernung ist. Wenn Sie größere Muskeln haben, können Sie eine größere Kraft erzeugen, aber das sagt nichts über die Entfernung aus, über die Sie diese Kraft erzeugen können; Das heißt, Sie haben möglicherweise nur eine begrenzte Menge an Energie zur Verfügung, um diese Kraft zu erzeugen. Wenn du eine Weile nichts gegessen hast, fühlst du dich vielleicht schwach, weil dir die Energie fehlt, um diese Kraft für eine lange Zeit oder eine lange Distanz zu erzeugen.

Sehen wir uns an, woher diese Kraft kommt. Die von Ihren Muskeln erzeugte Kraft kommt von biochemischen Reaktionen in Ihren Muskelzellen, die letztendlich chemische Energie aus der Nahrung verbrauchen, die Sie essen. Größere Muskeln, dh mehr Muskelzellen, können mehr Kraft erzeugen, aber sie verbrauchen mehr Energie, um diese Kraft zu erzeugen, einfach weil es mehr davon gibt. Stellen Sie sich das so vor: Zehn Menschen, die zusammen schieben, können mehr Kraft aufbringen, um ein Auto zu schieben, aber Sie müssen alle zehn mit Mittagessen füttern. Das Auto mit einer größeren Kraft (10 Personen) über eine bestimmte Distanz, sagen wir 50 Fuß, zu schieben, verbraucht mehr Energie als es mit einer kleineren Kraft zu schieben (Energie = Kraft mal Distanz; eine kleinere Kraft für die gleiche Distanz bedeutet weniger Energie). Ebenso kann ein größerer Muskel eine größere Kraft erzeugen,

Kraft, Energie und Arbeit sind für uns alle nur unterschiedliche Arten, Bewegung zu beschreiben.

Energie (genauer gesagt kinetische Energie) ist ein Maß dafür, wie schnell die Bewegung eines Objekts ist. Wenn ein Objekt eine Geschwindigkeit ungleich Null hat, hat es per Definition Energie.

Kraft ist ein Maß dafür, wie schnell sich die Bewegungsgeschwindigkeit eines Objekts ändert. Wenn sich die Geschwindigkeit eines Objekts ändert, erfährt es per Definition eine Kraft.

Arbeit ist ein Maß dafür, wie viel Kraft Sie aufwenden, um ein Objekt zu bewegen. Wenn sich ein Objekt aufgrund einer Kraft bewegt, wird per Definition Arbeit daran verrichtet.

Wenn Sie etwas schneller (oder massiver) bewegen möchten, können Sie Folgendes sagen: „Es braucht mehr Energie“ / „Es muss mehr Kraft darauf ausgeübt werden“ / „Es muss mehr Arbeit daran geleistet werden.“ Und ja, wenn Sie es manuell tun, können Sie auch sagen: "Es braucht mehr Körperkraft, um es zu bewegen."

Gewalt

Die Tendenz, etwas zu beschleunigen. Newtons 2. Gesetz:

$$\sum \vec F=m\vec a$$

Körperliche Stärke

Können verschiedene Dinge sein. Z.B

• Härte$H$: eine Materialbeständigkeit gegen "Bumbs" und Vertiefungen in der Oberfläche,
• Fließspannung$\sigma_y$: die Belastung, der ein Material standhalten kann, bevor es sich zu verformen beginnt
• höchste Zugspannung$\sigma_{max}$: die maximale Belastung, der ein Material standhalten kann, nach der ein Bruch fast sicher ist
• usw.

Die meisten davon sind in gewisser Weise Kraft pro Fläche. Daher ist Stärke in der Regel nicht mehr als eine Obergrenze für die Kraft, bevor eine unerwünschte Veränderung in einem Material auftritt.

Energie

Kann als Zahl verstanden werden, die angibt, wie wahrscheinlich es ist, dass eine Kraft ausgeübt wird. Es gibt viele Arten zB

• Kinetische Energie$K=\frac{1}{2}mv^2$: Bewegungsenergie
• Potenzielle Energie$U$: Gespeicherte Energie, die, wenn sie freigesetzt wird, etwas bewegen könnte
• Thermische Energie: Die molekulare Version der kinetischen Energie
• Innere Energie$U$: Eine andere Art von gespeicherter Energie - hier zB in Form von Molekülbindungen (aber auch kinetische Energie, thermische Energie etc.).

Arbeiten

Arbeit ist eine Art Energietransfer . Es gibt zwei Hauptarten:

• Arbeiten$W$: Energie, die von etwas übertragen wird, das etwas anderes bewegt.
• Hitze$Q$: Energie wird übertragen, indem etwas anderes erwärmt wird.

Ein Körper enthält keine Arbeit, wie er kinetische Energie enthält, zB Arbeit ist eher nur der Name für Energie im Transit - Energie, die übertragen wird.

$$W=Fx$$

Nur eine Kraft kann Arbeit leisten. Und wir nennen es nur Arbeit, wenn sich etwas bewegt hat ($x$ist Verschiebung)

Bedeutet die Anwendung von mehr Kraft, dass mehr körperliche Kraft, Energie und Arbeit erforderlich sind

Mehr Kraft bedeutet eine höhere Tendenz von etwas, sich zu bewegen.

• Ja , wenn Sie auf eine Materialoberfläche drücken, dann erfordert dies eine größere Kraft, um zu verhindern, dass sich die Oberflächenpartikel bewegen und sich das Material verformt.
• Nein , höhere Kraft bedeutet nicht mehr Energie. Drücken Sie stärker nach unten auf den Boden und die Normalkraft wächst ebenfalls, um Ihrem Stoß standzuhalten. In diesem System wird keine Energie gespeichert.
• Nein , Arbeit ist nur dann da, wenn etwas bewegt wird. Drücken Sie hart gegen eine Wand, und trotz Ihrer Bemühungen ist keine Arbeit erledigt.

Nehmen wir an, wenn eine Person einen schweren Gegenstand bewegen muss. Wie werden also Kraft, Körperkraft, Energie und Arbeit zueinander in Beziehung stehen?

Wenn das Objekt schwer ist, hat es ein großes Gewicht$w$wegen der Schwerkraft.

• Um es anzuheben, müssen Sie eine größere Kraft aufwenden $F$. Aus Newtons 2. Gesetz oben, da Sie möchten, dass es nach oben beschleunigt (Sie möchten einen Wert ungleich Null$a$), muss die Gesamtkraftsumme (Resultierende Kraft) nach oben zeigen. So$F$Punkt nach oben muss größer sein als$w$zeigt nach unten, so dass$\sum F=F-w=ma$ist positiv.

• Körperliche Stärke spielt hier keine Rolle. Sie versuchen nicht, das Objekt zu verformen. Wenn andererseits in diesem Fall körperliche Stärke bedeutet, wie stark die Person ist (was eher ein fisiologischer/biologischer als ein physikalischer Begriff ist), dann muss die körperliche Stärke natürlich groß genug sein, um es der Person zu ermöglichen, die notwendige Kraft aufzubringen$F$. Physische Kraft ist einfach eine Obergrenze – also muss die Kraft, die aufgebracht werden muss, nur unter dieser Grenze liegen.

• Sie müssen diesem System Energie hinzufügen , um das Objekt höher zu bewegen. Dies wird Gravitationspotentialenergie genannt$U_g=mgh$und hängt von der Höhe ab$h$, Sie möchten es anheben.

• ... und diese Energie muss in Form von Arbeit zugeführt werden$W=Fh$, wo die Verschiebung in diesem Fall ist$x=h$.

... um das Objekt schneller zu bewegen?

Wenn Energie schneller aufgebracht werden muss , können wir beides prüfen

• die Beschleunigung$a$im 2. Newtonschen Gesetz$\sum F=ma$, die größer sein muss. Dies erfordert auch eine größere Kraft.
• Oder wir können Macht betrachten $P=W/t$. Macht ist Arbeit über die Zeit, dh Arbeit, die während der Zeit geleistet wird$t$. Möchten Sie, dass die Arbeit (das Heben) schneller erledigt wird, müssen Sie nicht mehr Energie hinzufügen, Sie müssen sie nur schneller hinzufügen. Wir können den Arbeitsausdruck setzen$W=Fx$in diese Formel:

$$P=\frac{W}{t}=\frac{Fx}{t}$$

Möchten Sie, dass das Heben dann schneller erledigt wird?$t$ist kleiner. Das erhöht die Kraft$P$das ist erforderlich. Und damit$P$erhöhen,$F$muss zunehmen. So wie es auch Newtons 2. gesagt hat.