Об удельной мощности человека и Солнца
В. Ланге, Т. Ланге, «Об удельной мощности человека и Солнца, или Почему у комара холодная кровь»
Поток энергии, идущей от Солнца, колоссален. Из геофизических измерений следует, что даже в верхних слоях атмосферы Земли, на громадном расстоянии почти в 150 миллионов километров от Солнца, каждый квадратный метр, расположенный перпендикулярно солнечным лучам, получает от Солнца ежесекундно 1,4 кДж. Эту величину называют солнечной постоянной и обычно обозначают буквой I. Зная, что I = 1,4 кДж/м2/с =1,4 кВт/м2, нетрудно найти полную мощность излучения Солнца P1. Для этого достаточно умножить солнечную постоянную на площадь сферы, описанной вокруг Солнца, с радиусом R = 150 000 000 км: P1 = I•4пиR^2 = 4•10^26 Вт.
Конечно, энергетические возможности человека во много раз скромнее. Среднюю мощность, развиваемую человеком, можно довольно точно оценить по калорийности пищи, потребляемой им в сутки. Как известно, лица, не занимающиеся тяжелым физическим трудом, должны получать с пищей ежедневно примерно 12 МДж. Почти вся эта энергия идет на поддержание постоянной температуры человеческого тела и в конечном счете генерируется человеком в окружающее пространство. (Лишь очень малую часть получаемых 12 МДж человек расходует на совершение механической работы.) Разделив 12 МДж на длительность суток (86 400 с), получим P2 = 140 Вт.
Таким образом, как генератор энергии Солнце примерно в 3•10^24 раз мощнее человека. Тем неожиданнее результат сравнения их удельных (т.е. приходящихся на единицу массы) мощностей. Масса М Солнца составляет около 2•10^30 кг, массу человека примем равной m=80 кг. Тогда
P1/M = 2•10^-4 Вт/кг
P2/m = 1,75 Вт/кг
УДЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА ОКАЗЫВАЕТСЯ ПОЧТИ В 10 000 РАЗ БОЛЬШЕ, ЧЕМ У СОЛНЦА!
Результат, к которому мы пришли, кажется на первый взгляд совершенно неправдоподобным. Однако так и есть на самом деле. Как же объясняется этот «парадокс»? Почему Солнце – этот гигантский термоядерный реактор – проигрывает по удельной мощности человеку, энергию которому поставляют химические реакции, куда более «слабосильные», чем ядерные?
Ответ на этот вопрос нетрудно получить, если принять, что тепло в человеческом теле и в Солнце выделяется более или менее равномерно по всему объему. Тогда, скорость выделения тепла прямо пропорциональна объему тела, иными словами — кубу линейного размера. Скорость же теплоотдачи пропорциональна площади поверхности тела, т.е. квадрату линейного размера. Стало быть, чем больше тело, тем меньшей может быть скорость выделения тепла, необходимая для поддержания некоторой заданной температуры.
Объем Солнца порядка 10^27 м3, площадь его поверхности около 10^18 м2. Соответствующие параметры тела человека 10^-1 м3 и 1 м2. Таким образом, отношение объемов Солнца и человека равно приблизительно 10^28, а отношение площадей поверхностей этих тел порядка 10^18. Образно говоря, на единицу объема Солнца приходится приблизительно в 10 миллиардов раз меньше свободной поверхности, чем у человека. Поэтому неудивительно, что, несмотря на то, что солнечный «обмен веществ» протекает со скоростью всего лишь 0,2 мВт/кг, температура на поверхности Солнца достигает 6 000 градусов.
Проиллюстрируем связь между размерами, темпом энерговыделения и температурой тел следующими примерами из жизни животного мира.
Температуры тел млекопитающих отличаются не особенно сильно. В частности, они примерно одинаковы и у слона, и у маленькой полевой мышки. Однако скорость выделения тепла в организме слона примерно в 30 раз меньше. Если бы внутри тела слона выделение тепла происходило с такой же скоростью, как у мыши, то выделяющееся тепло не успевало бы покинуть организм слона достаточно быстро, чтобы сохранилась нормальная температура, и слон бы «зажарился» в собственной шкуре.
Чем меньше теплокровное животное, тем больше должна быть удельная (т.е. в расчете на единицу массы) скорость выделения тепла, чтобы скомпенсировать потери и поддержать температуру тела, обеспечивающую нормальную жизнедеятельность организма, тем больше пищи (опять-таки в расчете на единицу массы) оно должно поглощать. Мальчик-с-пальчик из широко известной детской сказки должен быть ужасно прожорлив: при одинаковых пропорциях с нормальным человеком ему требовалось бы на 1 кг массы в 20 раз больше пищи.
Самые маленькие млекопитающие на Земле – этрусские мыши – имеют массу всего 1,5 г, а съедают за сутки в два раза больше. Если этрусскую мышь оставить без пищи хотя бы на несколько часов, она погибнет. Практически весь период бодрствования заняты поисками и поглощением еды колибри (крошечные птички с массой около 2 г, обитающие в Южной Америке). Длительный ночной перерыв в этом занятии колибри могут переносить только потому, что температура их тела на это время резко понижается.
Можно показать, что очень маленькие существа, комар например, не могут быть теплокровными. ************************************
. Стало быть, удельная мощность комара составляет 10^-3 Вт/ 10^-6 кг = 10^3 Вт/кг, то есть примерно в 600 раз больше, чем у человека (и в 6 миллионов раз больше, чем у Солнца!).
Если человек поглощает в сутки около 1 кг пищи, то есть примерно 1/80 часть от своей массы, то масса пищи комара должна бы превышать его собственную в 600/80 = 7,5 раз. (Фактически мы получаем заниженные цифры, так как при оценке не учитывалось тепло, отдаваемое за счет конвекции). Температура окружающего воздуха чаще оказывается значительно ниже +17 градусов Цельсия, а при +7 градусах (обычные комары достаточно активны и в этих условиях) энергозатраты возрастают почти в 2 раза, так что поглощать пищи комару пришлось бы уже в 15 раз (!) больше своей массы. Поэтому ясно, что поддерживать постоянной температуру своего тела (т.е. быть теплокровным) комар не может.
Рассматривая связь между линейными размерами тела и интенсивностью энергообмена с окружающей средой, легко получить ответ и на такой интересный вопрос: почему тонкую проволоку можно расплавить в пламени спички, а толстую трудно раскалить даже с помощью газовой плиты?
Поток энергии, которую получает проволока от огня, прямо пропорционален площади ее боковой поверхности S = 2пиRl (R – радиус проволоки, l – длина ее части, находящейся в пламени). В то же время скорость отвода тепла вдоль оси проволоки к ее холодным концам (которые не попадают в пламя) прямо пропорциональна площади поперечного сечения проволоки S = пиR2.
Если радиусы двух проволок отличаются в 10 раз, то при прочих равных условиях более толстая проволока будет получать за единицу времени в 10 раз больше тепла, чем тонкая, но терять она будет в 100 раз больше. Ясно, что температура толстой проволоки в равновесном состоянии (когда оба тепловых потока – к проволоке и от нее – сравняются) окажется заметно меньше.
ИСТОЧНИК: Научно-популярный физико-математический журнал для школьников и студентов «Квант» №4, 1981
(******************************** с сокращениями)
Источник
Последние комментарии
О проекте
maxdeleske
m@zozhnik.ru
Ведите дневник питания и читайте Зожник в приложении “Дневник Зожника”
Недостаток солнца: чем грозит и что делать
Так уж исторически сложилось, что некоторым людям приходится жить там, где солнца так мало, что это отражается на их здоровье. Особенно, если ничего с этим не делать.
Самые пасмурные города России
В некоторые города Отечества международное солнце доставляет меньше света из-за пасмурной погоды.
Количество пасмурных дней в году в некоторых городах России:
- Якутск – 223 дней
- Мурманск – 209 дней
- Южно-Курильск – 194 дней
- Нижний Новгород – 182 дней
- Санкт-Петербург – 180 дней
- Москва – 172 дней
- Уфа, Пермь, Новосибирск, Петропавловск-Камчатский – около 168 дней
- Казань и Хатанга – 157 дней
- Калининград и Саратов – около 140 дней
- Ростов-на-Дону – 126 дней.
Данные: Российский государственный гидрометеорологический университет / ngzt.ru
А вот, кстати, наоборот, самые солнечные города России, жители которых, пожалуй, могут с этого места дальше не читать статью: Троицк, Омск, Хабаровск, Владивосток, Иркутск, Краснодар.
Тем не менее чем ближе к 22 декабря (самый короткий день), тем меньше солнца становится во всем Северном полушарии, что влечет за собой иногда серьезные последствия для здоровья.
Причина сезонных изменений настроения, самочувствия – изменение выработки гормонов, напрямую связанная от степени освещенности.
Дефицит солнца влияет: на сердечно-сосудистую систему, эндокринную систему, репродуктивную сферу, иммунную систему, нервную систему, настроение и биоритмы, на обновление кожи, волос и ногтей. Кроме того, при дефиците солнца нарушается выработка витамина D – одного из важнейших в организме.
Нехватка витамина D
Витамин D в значительной части синтезируется нашим телом под воздействием прямых солнечных лучей (ультрафиолета). Соответственно, чем ближе 22 декабря (или если вы вдруг переехали из Краснодара в Питер), тем меньше витамина D оказывается в вашем организме.
Недостаток этого важного витамина может грозить серьезными последствиями.
Повышение риска рака. В 1980 году Седрик Гарланд и Фрэнк Гарланд опубликовали в журнале «International Journal of Epidemiology» результаты своих исследований — достаточное количество витамина D в организме существенно снижает риск заболеть раком толстой кишки . Предположение, что солнечный свет может защищать от рака, впервые сформулировали еще в 1937 году Сигизмунд Пеллер и Чарльз Стефенсон. Потом, в 1941 году, обнаружили, что онкологическая смертность зависит от широты проживания: чем ближе к экватору (чем больше солнца), тем меньше людей умирает от рака толстой кишки.
Позже появились сведения и о важности витамина D в борьбе против других видов рака. Цифры, опубликованные в обзоре «Витамин D для предотвращения рака: глобальные перспективы», который сделали Гарланды с соавторами, впечатляют. У людей, достаточно времени проводящих на солнце или же принимающих кальций и витамин D внутрь (1,100 МЕ витамина D и 1,450 мг/ день кальция), на 50% и больше снижался риск заболеть раком простаты, груди или кишечника.
Предложено около десятка механизмов работы витамина D на иммунитет: “солнечный витамин” регулирует рост, дифференцировку клеток и апоптоз, ингибирует рост сосудов, оказывает противовоспалительное действие и некоторые другие.
Недостаток витамина D и сезонный набор веса
Недостаток витамина D также по подозрению ученых – одна из причин набора веса (а точнее: одна из причин перебора калорий).
Витамин D необходим для выработки лептина – особого гормона, который отвечает за чувство насыщения во время еды. Если его становится меньше, утолить голод сложнее, обычные порции кажутся маленькими, человек начинает потреблять больше калорий и неминуемо полнеть.
Ученые из Швеции провели эксперимент: обследовали более 100 полных людей, у 70% из которых в организме наблюдался недостаток витамина D. Всем участникам исследования он был назначен в виде добавок, и уже через 2 месяца большинство из них стали худеть – притом, что в еде их никто не ограничивал.
Сколько надо витамина D и как его получить
В принципе человек, который разнообразно питается, регулярно и подолгу бывает на открытом воздухе, не должен испытывать недостатка в витамине D. Но в том-то и проблема, что современный образ жизни предполагает закрытые помещения и однообразную еду на скорую руку.
По действующим рекомендациям, в день человеку необходимо 600 ME. Эту дозу можно получить с пищей, если регулярно питаться жирной рыбой.
Содержание витамина D в продуктах питания.
Чтобы получить 400 МЕ витамина, нужно ежедневно съедать 150 г лососины или 900 г трески.
Однако мы редко едим жирную рыбу каждый день и поэтому без солнца не обойтись никак. И чем севернее вы живете, тем важнее для вас есть жирную рыбу, яйца, печень и ловить имеющиеся солнечные лучи.
Солнечные ванны нужны при этом довольно продолжительные. Вот одна из рекомендаций: 30 минут на солнце каждый день. Если вы загораете на широте, соответствующей Испании или Калифорнии, то 12 минут солнечных ванн в день при открытых 50% тела дадут вам 3000 МЕ в день.
Может ли помочь солярий?
Да, но не любой. Многие лампы дают другой УФ-спектр, не такой, как у солнца, — ультрафиолет с длиной волны A (320—400 нм) делает более мягкое воздействие на кожу, дает загар, но слабо соответствует солнечному излучению. А вот длина волны B (280—320 нм) – больше соответствует необходимому для выработки витамина D.
Доля излучения лампами волн спектра B указывается в характеристиках ламп для солярия.
Например, обозначение: UVB 1% означает, что из всего излучения лампы в УФ диапазоне 1% приходится на УФ-В. Эта величина в разных типах ламп меняется от 0,1% до 6%. Лампы с излучением УФ-В более 4% применяются только в США и для Европы не производятся.
Поэтому солярий солярию рознь и количество получаемого от сеанса витамина D зависит от характеристик ламп и не напрямую соответствует полученной степени загара.
Кроме солярия и жирной рыбы восполнить некоторые формы витамина D в организме можно с помощью пищевых добавок, например в редакции Зожника регулярно используется в осенне-зимний период вот такая банка:
Дефицит серотонина из-за нехватки солнца
Впрочем, недостаток витамина D – не единственный минус, вызванный уменьшением света в жизни.
Недостаток света связывают с угнетенным состоянием психики, со склонностью к депрессиям. Когда свет попадает на сетчатку глаза, в мозг посылается нервный импульс: пора вырабатывать серотонин. Этот “гормон счастья” обладает успокаивающим действием, снимает нервное напряжение, расслабляет и дает ощущение удовольствия.
Простимулировать выработку серотонина можно, употребляя индейку, бананы или шоколад. Эти продукты содержат аминокислоту триптофан, из которой вырабатывается гормон счастья. Но в любом случае, недостаток света способствует серьезному снижению уровня серотонина.
В Москве продолжительность сияния солнца в среднестатистический декабрьский день составляет не более 2 часов. В комнате в осенне-зимний период света в 300 раз меньше, чем на улице в яркий солнечный день.
Собственно, самый эффективный способ борьба за серотонин – больше света. В северных странах (и во времена СССР для жителей севера) настоятельно рекомендуется использование специальных ламп для восполнения нехватки света осенью и зимой.
Светотерапия считается естественным методом избавления от депрессии, с помощью которой можно значительно улучшить состояние. Более того, для жителей севера еще во времена СССР профилактика здоровья с помощью светотерапии была обязательной. И для этого существуют даже специальные лампы:
Освещение ламп для светотерапии составляет от 2500 до 10 000 люкс, что приравнивается к солнечному освещению в летний день. Для терапевтического эффекта достаточно 2 недель, а результат сеанса ощущается уже после нескольких дней лечения.
Лампы можно использовать даже во время работы, установив их на нужном расстоянии от экрана компьютера (во время сеанса лечебного лампы обычно размещаются на расстоянии 30-40 см от пациента). Для успешности лечения рекомендуется проводить сеансы с утра для того, чтобы “зарядиться” энергией на весь день.
Тем не менее, можно обойтись и без специальной лампы – просто больше гуляйте на улице, даже в пасмурный день и меньше закрывайтесь от света за солнечными очками.
Проблема с засыпанием из-за нехватки солнца
Еще одна неожиданная проблема, с которой многие сталкиваются. В норме вечером организм начинает вырабатывать гормон мелатонин, когда его концентрация увеличивается, мы чувствуем желание лечь спать. Если же его мало, остаемся активными и заснуть не можем.
Механизм уменьшения мелатонина зимой: для его выработки нужна не только темнота (перед сном), но и свет. Дело в том, что для выработки этого гормона необходим тот же серотонин, для которого как раз и нужен свет.
Все рецепты от нехватки солнца
Итак, вот перечень “рецептов” от нехватки солнца в нашем организме. И чем севернее и темнее обстановка у вас за окном, тем важнее для вас не игнорировать эти советы.
1. Ешьте больше продуктов, богатых витамином D и способствующие выработке серотонина (и прежде всего жирную рыбу: лосось). В крайнем случае: используйте добавки с витамином D. Также поднажмите на продукты, способствующие выработке серотонина: бананы, шоколад, индейку, яблоки, сливы, ананас.
2. Больше и чаще гуляйте, открыв солнцу по возможности больше неприкрытой кожи. Но даже в пасмурную погоду гулять полезно: освещенность намного выше, чем в закрытом помещении и положительно влияет на вас.
3. Ходите в солярий, а лучше – летайте на море на пару недель в декабре-январе. Если нет возможности – просто поднажмите на пункты выше.
4. Купите лампу для светотерапии (но путевку на море все же лучше).
5. Занимайтесь тренировками. Силовые тренировки также повышают так необходимый нам в темное время года уровень серотонина.
Источник