Energetická bilance člověka

Úkol: Sledujte a porovnejte svoji energetickou bilanci po dobu 5 dnů.

Vybavení: žádné.

Zákon zachování energie musí platit také pro člověka – stejně jako pro všechny živé tvory. Jinými slovy, energetická bilance člověka musí být vyrovnaná.

Příjem energie: Člověk přijímá energii uloženou v potravinách (jedná se o vnitřní potenciální energii – viz kapitola 10). Z hlediska energetického obsahu jsou podstatné tři složky potravy: cukry, tuky a bílkoviny. Jejich zastoupení i celkový energetický obsah je uveden na obalech potravin (viz obrázek) nebo ho najdete v kalorických tabulkách (viz níže).

Výdej energie: Člověk využívá energii jednak k udržení životních funkcí a jednak ke konání práce pomocí svalů. Základní spotřeba energie pro udržení života se nazývá bazální metabolismus a patří sem krevní oběh, dýchání, činnost mozku, stálá tělesná teplota atd. Energie spotřebovaná při svalové práci závisí na druhu vykonávané činnosti a její délce. Vydanou energii není snadné změřit, ale můžeme ji odhadovat pomocí kalorických tabulek (viz níže).

V ideálním případě platí, že energie přijatá se rovná energii spotřebované a vnitřní energie člověka se přitom nemění. Pokud je celková bilance kladná, člověk přebytečnou energii ukládá především ve formě tukové tkáně. Tento proces je do jisté míry individuální a závisí na mnoha faktorech (dědičnost, momentální stav organismu atd.). Pokud je naopak bilance záporná, tělo získává energii z vlastních tukových zásob (jedním slovem hubneme).

Postup:

1. Prostudujte si kalorické tabulky na internetu (například zde: www.kaloricketabulky.cz). Pro vaše měření budete potřebovat zejména kalkulačku, kterou vypočítáte váš bazální metabolismus a poté katalog potravin a aktivit.
2. Vypočítejte si svůj bazální metabolismus podle tabulek nebo vzorce: určete denní i hodinovou spotřebu v kJ. Vypočítejte také váš klidový výkon ve W.
3. Každý den si zaznamenávejte své aktivity do přehledné tabulky (aktivita / doba trvání / spotřebovaná energie). Za aktivitu se považuje i čtení nebo práce na PC. Bazální metabolismus započítejte pouze v době, kdy žádnou aktivitu nemáte (spánek, odpočinek). Určete celkový výdej za každý den (24 hodin).
4. Každý den si zaznamenávejte svůj energetický příjem z potravin podle tabulek. Určete celkový výdej energie za každý den (24 hodin).
5. Zpracujte přehledně svoji celkovou energetickou bilanci a porovnejte své údaje s ostatními. Pro zdravý životní styl není důležitá jen vyrovnaná energetická bilance, ale i další faktory. Které to jsou? Diskutujte o nich.

Otázky:

1. Trénovaný člověk dokáže pracovat s výkonem asi 200 W. Při celodenní práci je však jeho výkon pouze kolem 10 W. Vypočítejte, kolik energie byste zhruba dokázali vyrobit za den vlastní prací. Přitom je třeba zohlednit, že musíte také odpočívat.
2. Celková spotřeba elektrické energie na obyvatele a rok činí v ČR asi 6000 kWh. Kolik lidí byste potřebovali, aby vlastními silami vyrobili potřebné množství energie?
3. Jaká by byla cena vámi vyrobené energie? Uvažte, že 1 kWh elektrické energie se prodá za 3 Kč.

Mechanická energie skákajícího míče

Úkol:

1. Natočte video skákajícího míče a sestrojte grafy závislosti jeho mechanické, polohové a kinetické energie na čase.
2. Vysvětlete přeměny těchto energií během pádu a ověřte platnost zákona zachování mechanické energie.
3. Vysvětlete přeměny těchto energií během odrazu a spočítejte, kolik procent energie se přemění v jiné druhy energie. V jaké?

Pomůcky: volejbalový, basketbalový či gymnastický míč, krejčovský metr nebo pásmo, siloměr či váha.

Postup:

1. Změřte hmotnost a průměr míče.
2. Pomocí mobilního telefonu nebo videokamery zaznamenejte pád míče z určité výšky. Pokud vám míč po odrazu odskočí někam stranou, zopakujte celou nahrávku.
3. Videosekvenci zpracujte v programu Tracker. Určete výšku míče nad zemí a také jeho rychlost.
4. Naměřená data (poloha a rychlost) přeneseme do tabulkového procesoru.
5. Vypočítáme polohovou, pohybovou a mechanickou energii míče.
6. Sestrojíme graf, který zobrazí změny všech energií v závislosti na čase.

Doplňující otázky:

1. Co je příčinou toho, že během nárazu pozorujeme pokles mechanické energie?
2. Proč po každém odrazu je mechanická energie míče menší a menší?
3. Určete, o jaký typ poklesu mechanické energie se jedná. Můžeme například porovnávat maximální dosažené výšky po každém odskoku. Lze najít nějaký matematický model pro tuto závislost? Jaký?

Poznámky pro učitele

a) Ukázka naměřených dat – výška těžiště míče:

b) Ukázka přeměn energií míče:

c) Ukázka dat maximálních výšek míče:

počet odskoků	0	1	2	3	4	5	6
hmax (m)	1,42	1,03	0,75	0,58	0,46	0,38	0,33

Pokles maximální výšky je exponenciální.

„Horská dráha“ s Hot Wheels

Úkol:

1. Prozkoumejte pomocí autíček Hot Wheels zákon zachování mechanické energie.
2. Určete práci vykonanou třecími silami v jednotlivých fázích experimentu.

Postup:

1. Autíčko pouštíme z nejvyššího bodu dráhy (bod A). Výšku zapíšeme do tabulky a vypočítáme polohovou energii autíčka v počátečním bodě. Kinetická energie je nulová, neboť pouštíme autíčko bez počáteční rychlosti.
2. V nejnižším bodě dráhy (bod B) změříme pomocí optické závory (dvou optických závor) rychlost autíčka. Vypočítáme kinetickou energii autíčka.
3. Autíčko pokračuje ve svém pohybu po podlaze, ujede vzdálenost l a v bodě C se zastaví. Jeho polohová i kinetická energie jsou nulové. Změříme vzdálenost l.
4. Postup několikrát opakujeme a výsledky zapisujeme do tabulky. Můžeme použít různá autíčka, anebo jedno autíčko, které pouštíme z různých výšek.

Otázky:

1. V prvním úseku dráhy (AB) bychom mohli očekávat, že mechanická energie autíčka \((E_\mathrm{m}=E_\mathrm{p}+E_\mathrm{k})\) zůstane zachována. Jaké jsou vaše výsledky? Odpovídají této teorii? Pokuste se o vysvětlení.
2. Ve druhém úseku dráhy (BC) se autíčko pohybuje po vodorovné rovině tak dlouho, až zastaví (nebo do něčeho dříve narazí). Čím je to způsobeno?
3. Podívejte se na následující nákres nové dráhy. Může autíčko projet loopingem, když neuvažujeme tření? Stejná otázka s ohledem na naměřené výsledky (uvažujte vliv tření). Co navrhujete, aby byl průjezd auta loopingem bezpečný?

Inspirace: https://science.howstuffworks.com/engineering/structural/roller-coaster.htm

Poznámky pro učitele