Wikipedie

Svalová energie

Svalová energie je energie vyrobená silou svalů, ať už lidí nebo zvířat. Síla vlastních svalů je historicky první obnovitelný zdroj energie, který člověk využíval.[1] Pravidelný intenzivní pohyb je přitom nedílnou součástí zdravého životního stylu, který je rozhodujícím faktorem ovlivňujícím zdravotní stav člověka.[2] Jízda na kole nebo ergometru patří mezi pohybové aktivity doporučené seniorům pro zachování funkční mobility, prevence poklesu síly a zpomalení sarkopenie.[3]

Drezína - malý, ručně poháněný železniční vůz
Trispastos (z řeckého tři kladky) - nejjednodušší manuálně poháněný jeřáb, starověké Řecko asi 515 př. n. l.
Helepolis, počítačový model dobývacího stroje ze starověkého Řecka, asi 305 př. n. l.
Rekonstrukce jeřábu z doby antického Říma, kolem 200 př. n. l., v Bonnu v Německu
Loď s veslaři, antické Řecko
Veslaři na řecké triéře na basreliéfu z athénské Akropole
Vallus - galský sklízecí stroj z 1. století př. n. l.
Dřevěný jeřáb poháněný šlapacím kolem, replika středověkého stroje ze 16. století
Středověká kuchyně s psím kolem (vlevo nahoře)
Nosítka: využití svalové energie v dopravě v minulosti
Ručně poháněná myčka na nádobí, polovina 19. století
Práce na šlapacím kole jako trest pro odsouzence, konec 19. století[pozn. 1]
Koňský žací stroj, konec 19. století
Svalová energie v dopravě: velomobil - kapotované šlapací vozítko
Velomobil, který v roce 2013 dosáhl rychlosti 133,78 km/h
V roce 2004 jezdil v Košicích po nevyužívaných kolejích vůz poháněný koněm

Z celosvětového hlediska zůstává síla svalů významným zdrojem energie i na počátku 21. století. Přesto obvykle není, na rozdíl od tradičního využití biomasy, zahrnována při vyhodnocování výroby energie z obnovitelných zdrojů.[4][5][6]

Historie

editovat

Energetické potřeby starověkých civilizací zajišťovala vedle jízdních a tažných zvířat ve velké míře fyzická práce otroků. Ve středověku se rozvíjelo využití dalších obnovitelných zdrojů - větrné a vodní energie, mnohá zařízení však byla běžně poháněna silou lidských svalů. V souvislosti s průmyslovou revolucí v 18. století se rozšířilo využívání fosilních zdrojů: nejdříve parní motory a později motory spalovací, zároveň byla ve stále větší míře využívána elektřina. V pozemní dopravě a v zemědělství přesto až do počátku 20. století dominovala svalová energie tažných zvířat.

Zhruba od poloviny 20. století se v bohatších zemích prosazuje k pohonu kuchyňských přístojů elektřina. Z celosvětového hlediska však ještě na počátku 21. století v této oblasti dominuje ruční pohon. Zároveň se objevují návrhy na využití svalové práce k výrobě elektřiny buď pro běžnou spotřebu budov, nebo jako nouzový zdroj.

Člověk

editovat

Dospělý muž je schopen podávat výkon kolem 2,6 W/kg při srdeční frekvenci 170 tepů za minutu,[pozn. 2] žena asi 1,8 W/kg.[pozn. 3] Trénovaní sportovci dosahují za stejných podmínek výkonu kolem 4 W/kg (ženy 3,2 W/kg).[7] Špičkově je však člověk schopen podávat výkon jedné koňské síly (asi 750 W),[8] trénovaní sportovci až 1500 W.[9][pozn. 4]

Dlouhodobý výkon bez nadměrné zátěže organismu je možný pod tzv. aerobním prahem, kdy organismus stíhá odbourávat metabolity (zejména laktát). Při vyšším výkonu klesá účinnost svalové práce a organismus se dříve unaví.[11] Aerobnímu prahu odpovídá výkon do 2 W/kg, u trénovaných jedinců až 3 W/kg.[12] Průměrný výkon člověka za delší dobu obvykle nebude přesahovat desetinu koňské síly (asi 75 W, tj. kolem 1 W/kg).[13][8] Někdy se [pozn. 5] počítá nejvýše 100 W fyzického výkonu[14] nebo 100 W elektrického výkonu.[15]

Tažná zvířata

editovat

Tažná zvířata byla od starověku používána k orbě, pohonu dopravních prostředků nebo jiných strojů. Ještě na počátku 20. století v tomto směru dominovali koně. Kůň je schopen dlouhodobě podávat výkon kolem 1 W na kilogram své hmotnosti, krátkodobě je schopen zvýšit výkon i na více než desetinásobek.[pozn. 6] Při zápřahu většího počtu koní se však jejich výkon nesčítá, například pět společně zapřažených koní podává výkon asi 3,5násobku jednoho koně, protože si vzájemně překážejí.[8] Hmotnost tažných koní, tzv. chladnokrevníků se obvykle pohybuje mezi 500 a 1000 kg, v některých případech i více.[17]

Výkon a energetický výdej

editovat

Energetický výdej je množství energie, které organismus (člověk nebo zvíře) spotřebuje při dané fyzické aktivitě, udává se buď v kJ/h (kcal/h) pro člověka o hmotnosti 70 kg,[18], nebo v kJ/kg/min (kJ/(kg.min)).[19] Kromě užitečného výkonu zahrnuje ztráty při konverzi energie na mechanickou práci a navíc energetickou spotřebu organismu na metabolické procesy, které nesouvisí s fyzickým výkonem. Energetický výdej je proto vždy výrazně vyšší než užitečný výkon. Například fyzický výkon podávaný sportovcem při maratonu je asi 300 W,[9] ale jeho energetický výdej je asi 5500 kJ za hodinu (odpovídá výkonu asi 1500 W).[18]

Účinnost

editovat

Účinnost svalové práce η je definována jako poměr mezi užitečnou svalovou prací a metabolickým výdejem energie. Může být počítána několika způsoby:[20]

  • ηhrubá = svalová práce / celkový metabolický výdej energie
  • ηčistá = svalová práce / ( celkový metabolický výdej energie - klidový výdej energie )
  • ηpráce = svalová práce / ( celkový metabolický výdej energie - výdej energie naprázdno )
  • ηdelta = Δsvalová práce / Δcelkový metabolický výdej energie

Účinnost ηnet izolovaných svalů dosahuje 30%, celková účinnost při fyzickém výkonu je však nižší. Sval naopak může při záporné práci akumulovat elastickou energii, která při opětovném uvolnění zvyšuje účinnost ηdelta.

Účinnost kosterních svalů se mezi jednotlivými živočišnými druhy liší (15 % u myši až 35 % u želvy).[21][pozn. 7] U člověka se udává účinnost svalové práce kolem 20 %.[22] Obecně mají vyšší účinnost pomalá svalová vlákna, jejich účinnost však při vyšších výkonech klesá rychleji než účinnost rychlých svalových vláken.[11][21] Poměr rychlých a pomalých vláken je z větší části dán geneticky, mezi sportovci v různých disciplínách jsou však výrazné rozdíly.[zdroj?]

Hrubá účinnost se zvyšuje s rostoucím výkonem, protože se snižuje podíl klidového metabolismu. Čistá účinnost je do určitého výkonu víceméně stálá, při překročení aerobního prahu však začne klesat. Děti dosahují účinnosti dospělých různém věku v závislosti na fyzické aktivitě, zhruba v 10 letech při šlapání a až v 15 letech při běhu. Závislost na pohlaví však nebyla prokázána.[20]

Při šlapání do pedálů (na kole, ergometru nebo na rotopedu) účinnost výrazně závisí na frekvenci šlapání, hrubá účinnost může dosáhnout až 22 % a čistá účinnost až 26 %. Optimální frekvence šlapání, při níž se dosahuje nejvyšší účinnosti se s rostoucím výkonem zvyšuje, při 50 W je optimum 40 až 50 otáček za minutu, při 200 W se zvyšuje až na 70 za minutu. Závislost účinnosti na frekvenci je při vyšších výkonech méně výrazná. Trénovaní sportovci dosahují asi o jedno procento vyšší účinnosti než běžná populace a pokles u nich nastává při vyšším výkonu.[20]

Výroba elektřiny

editovat

Globální oteplování způsobené nadměrným spalováním fosilních paliv vede ke snahám o využití všech dostupných obnovitelných zdrojů. První fitcentra využívající energii ze sportovních trenažérů a posilovacích strojů, která by se jinak proměnila v neužitečné teplo, se objevila začátkem 21. století a od té doby se jejich počet vytrvale zvětšuje.[pozn. 8][15] Komerčně jsou nabízena různá zařízení pro výrobu elektřiny pomocí pedálů,[23] včetně skládací domácí posilovny, kterou lze přistavit k obytnému domu.[24]

Šlapací generátory někdy slouží pro vzdělávací účely, aby si lidé mohli představit srovnání energetické náročnosti různých spotřebičů.[25] Ukazatel výkonu bývá součástí šlapacího generátoru i v některých fitcentrech.[15] Při výkonu 100 W by bylo třeba šlapat celou hodinu, aby mohla svítit jedna klasická žárovka (tepelná koule), ale pouze 7,5 minuty, aby mohla hodinu svítit LED žárovka stejného světelného výkonu. K ohřátí 1 litru vody je třeba šlapat rovněž přibližně hodinu, ale stejná energie může pohánět notebook po dobu 2 až 5 hodin, ultrabook podstatně déle. Pro pokrytí energetické spotřeby USA by muselo celé lidstvo šlapat trvale po dobu 7,5 měsíce.[15]

Energetický otrok - cca 100 W fyzického výkonu, respektive 90 W elektřiny - pro provoz průměrné domácnosti je jich třeba asi 15.[14]

Odkazy

editovat

Poznámky

editovat
  1. ↑ Trest byl vyměřen v počtu kroků za den, vyrobená energie byla využívána k pohonu mlýna na obilí nebo jiného zařízení
  2. ↑ při hmotnosti 80 kg to odpovídá výkonu asi 210 W
  3. ↑ při hmotnosti 60 kg to odpovídá výkonu asi 110 W
  4. ↑ Například Usain Bolt během první sekundy sprintu vyvinul výkon 2,6 kW[10]
  5. ↑ pravděpodobně pro jednoduchost
  6. ↑ Nejvyšší zaznamemamý výkon byl asi 9 až 11 kW při soutěži v tahání břemen.[16]
  7. ↑ Jde o součin účinnosti samotného svalového vlákna, která se v závislosti na druhu svalového vlákna pohybuje mezi 20 až 50 %, a účinnosti získávání energie v mitochondriích, která je 75 až 80 %.[21]
  8. ↑ Doplňkovou motivací je v tomto případě snaha řešit nedostatek pohybu a s tím spojené problémy s nadváhou a obezitou.

Reference

editovat
  1. ↑ FOUQUET, Roger. Energy: Muscle, steam and combustion. S. 29–30. Nature [online]. 2017-04 [cit. 2024-09-19]. Roč. 544, čís. 7648, s. 29–30. Dostupné online. ISSN 1476-4687. DOI 10.1038/544029a. 
  2. ↑ SEKOT, Aleš, a kol. Výzkum v sociologii sportu I [online]. první. vyd. Brno: Masarykova univerzita, 2013 [cit. 2024-09-25]. Kapitola 03 Pohyb versus obezita. Dostupné online. ISBN 978-80-210-6276-4. 
  3. ↑ SEKOT, Aleš, a kol. Výzkum v sociologii sportu I [online]. první. vyd. Brno: Masarykova univerzita, 2013 [cit. 2024-09-25]. Kapitola 04 Vliv pohybových aktivit na funkční zdatnost starých lidí žijících v domově pro seniory. Dostupné online. ISBN 978-80-210-6276-4. 
  4. ↑ Renewables 2023 – Analysis. IEA [online]. International Energy Agency, 2024-01-11 [cit. 2024-09-24]. Dostupné online. (anglicky) 
  5. ↑ 2024 renewable energy industry outlook. Deloitte Insights [online]. Deloitte [cit. 2024-09-24]. Dostupné online. (anglicky) 
  6. ↑ Energy Outlook. BP [online]. BP [cit. 2024-09-24]. Dostupné online. (anglicky) 
  7. ↑ BERNACIKOVÁ, Martina. Fyziologie. Brno: Masarykova univerzita, Fakulta sportovních studií, 2012. ISBN 978-80-210-5841-5. Kapitola Zátěžové testy. 
  8. ↑ a b c PERELMAN, Jakov Isidorovič. Zajímavá mechanika. Praha: Naše vojsko, 1953. 163 s. S. 111–115. 
  9. ↑ a b Výkon a účinnost. E-manuel.cz - online učebnice fyziky [online]. E-manuel [cit. 2024-09-21]. Dostupné online. 
  10. ↑ GÓMEZ, J J Hernández; MARQUINA, V; GÓMEZ, R W. On the performance of Usain Bolt in the 100 m sprint. S. 1227–1233. European Journal of Physics [online]. IOP Publishing, 2013-09-01 [cit. 2024-09-23]. Roč. 34, čís. 5, s. 1227–1233. Dostupné online. arXiv https://arxiv.org/pdf/1305.3947.pdf. DOI 10.1088/0143-0807/34/5/1227. (anglicky) 
  11. ↑ a b GRASSI, Bruno; ROSSITER, Harry B.; ZOLADZ, Jerzy A. Skeletal Muscle Fatigue and Decreased Efficiency: Two Sides of the Same Coin?. S. 75–83. Exercise and Sport Sciences Reviews [online]. American College of Sports Medicine, 2015-04 [cit. 2024-09-25]. Roč. 43, čís. 2, s. 75–83. Dostupné online. DOI 10.1249/JES.0000000000000043. (anglicky) 
  12. ↑ BAKER, Felicia. Fyziologie zátěže a biomechanika sportu - ppt stáhnout. S. 11. slideplayer.cz [online]. [cit. 2024-09-24]. S. 11. Dostupné online. 
  13. ↑ Kolik má kůň koní?. www.ptejteseknihovny.cz [online]. Národní knihovna ČR, 2016-05-02 [cit. 2024-09-24]. Dostupné online. 
  14. ↑ a b Energetičtí otroci. E-manuel.cz - online učebnice fyziky [online]. Gymnázium Matyáše Lercha, Brno, 2022 [cit. 2024-09-24]. Dostupné online. 
  15. ↑ a b c d GIBSON, Tom. These Exercise Machines Turn Your Sweat Into Electricity. IEEE Spectrum [online]. Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2011-06-21 [cit. 2024-09-24]. Dostupné online. (anglicky) 
  16. ↑ STEVENSON, R. D.; WASSERSUG, Richard J. Horsepower from a horse. S. 195–195. Nature [online]. Springer Nature, 1993-07 [cit. 2024-09-21]. Roč. 364, čís. 6434, s. 195–195. Dostupné online. ISSN 1476-4687. DOI 10.1038/364195a0. 
  17. ↑ Tabulka výšky a hmotnosti plemen koní. TopDen.cz [online]. 2023-01-19 [cit. 2024-09-19]. Dostupné online. 
  18. ↑ a b NOVÁK, Vilém. Energetický výdej člověka při sportu a práci. www.komplexnizdravi.cz [online]. Komplexní zdraví, 2011-01-15 [cit. 2024-09-21]. Dostupné online. 
  19. ↑ Energetický výdej při pohybových aktivitách. www.stobklub.cz [online]. STOB KLUB [cit. 2024-09-21]. Dostupné online. 
  20. ↑ a b c BÖNING, D; MAASSEN, N; STEINACH, M. The Efficiency of Muscular Exercise. German Journal of Sports Medicine [online]. Deutsche Gesellschaft für Sportmedizin und Prävention, Österreichische Gesellschaft für Sportmedizin und Prävention, 2017-09-01 [cit. 2024-09-24]. Dostupné online. DOI 10.5960/dzsm.2017.295. (anglicky) 
  21. ↑ a b c BARCLAY, Chris J. Muscle and exercise physiology [online]. Příprava vydání Zoladz, Jerzy A.. London: Academic press, 2019 [cit. 2024-09-24]. Kapitola Chapter 6 - Efficiency of Skeletal Muscle, s. 111–127. Dostupné online. ISBN 978-0-12-814593-7. DOI 10.1016/B978-0-12-814593-7.00006-2. (anglicky) 
  22. ↑ BERNACIKOVÁ, Martina; KALICHOVÁ, Miriam; BERNÁKOVÁ, Lenka. Základy sportovní kineziologie [online]. Fakulta sportovních studií Masarykovy univerzity [cit. 2024-09-24]. Kapitola Základní složky pohybového systému. Dostupné online. 
  23. ↑ Kompaktní pedálový generátor vám umožní nabíjet vaše gadgety (a spalovat kalorie) u vašeho stolu - Čistá krása 2024. Features Business [online]. [cit. 2024-09-24]. Dostupné online. 
  24. ↑ DOHNAL, Radomír. Domácí posilovna jako generátor elektřiny. Ekologické bydlení [online]. Chamanne, 2013-05-17 [cit. 2024-09-24]. Dostupné online. ISSN 1803-0211. 
  25. ↑ Šlapací generátor. Výzkumné energetické centrum - CEET VŠB-TUO [online]. VŠB - Technická univerzita Ostrava, Centrum energetických a environmentálních technologií, Výzkumné energetické centrum [cit. 2024-09-24]. Dostupné online. 
Citováno z „https://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Svalová_energie&oldid=24452741“