Почему бег тратит больше энергии, чем ходьба?

Основная причина заключается в том, что идеальный объект работает в физическом смысле, но у биологического существа есть так много, много способов, которыми оно не может вести себя как идеальный объект .

Можно оценить и рассчитать, но другие ответы пытаются это сделать. Я просто попытаюсь обобщить некоторые из этих больших неидеальных объектов поведения.

• Бег предполагает больше и разнообразие движений, это совсем другая походка.. Это определенно не просто такое же движение, как ходьба, но быстрее. Некоторые из этих движений являются вертикальными или связаны с прыжками, некоторые имеют компоненты амортизации и связаны с приземлением. Большая часть этой дополнительной энергии рассеивается в обоих направлениях — мы используем энергию и для прыжка, и для амортизации, и для остановки при приземлении. Мы также ускоряем наши ноги, чтобы соответствовать нашей скорости земли, и должны замедлять их до нуля на каждом шагу, а затем ускорять и поднимать в другую сторону, а не просто полагаться на гравитацию и маятниковую активность. Тот факт, что это происходит при растяжении, а не при ударе о землю, ничего не меняет. Опять же, энергия теряется в обоих направлениях. Я также собираюсь предположить, что труднее быть эффективным в более широком диапазоне движений по сравнению с более узким, поэтому более широкий диапазон движений и систем, используемых в беге, означает, что это
• Обработка/обмен энергии грубых движений мышц человека не эффективна и не ведет себя как идеальный объект . У нас есть несколько энергетических путей, и мы переключаемся между ними по мере необходимости. В меньшей степени это происходит при ходьбе, в большей — при энергичных упражнениях, таких как бег. Энергетический цикл «аварийной» или «устойчивой активности», на который наши тела переключаются во время бега, менее эффективен — если бы он был более эффективным, он, вероятно, стал бы нашим основным, а не резервным. И, конечно же, многие биохимические реакции и реакции организма просто нелинейны; они также могут иметь минимальную/максимальную скорость или продолжительность.
• В результате могут активироваться другие системы, которые не активируются или активируются не так, как при обычной ходьбе.. Например, могут быть изменения мозгового кровотока, кровяного давления и использования энергии исключительно из-за более высокой скорости метаболизма. Возможно, нам придется активировать системы рассеивания тепла во время бега, но не при ходьбе (потение?), изменить выработку/поглощение некоторых нейротрансмиттеров (стимуляторы? кровеносная система (сжатая или расслабленная, чтобы по-разному контролировать поток). Мы можем деактивировать целые системы — пищеварение, деятельность кишечника. Скорость выработки продуктов метаболизма (молочная кислота?) выше, и, возможно, требуется дополнительная активность, чтобы попытаться справиться с этим. Необходимо направить больше воды, чтобы удержать все эти дополнительные метаболиты и продукты в растворе в кровотоке или заменить другую потерянную или использованную воду. Если для активации путей необходимы другие продукты (не знаю, ферменты, например?), то процессы их производства в организме тоже должны быть активированы. Бег, как и любая интенсивная физическая активность, также вызывает больший разрыв мышечных волокон и другие микроскопические повреждения/износ, поэтому впоследствии может потребоваться дополнительное восстановление. Другими словами, в фоновом режиме наш организм может запускать или останавливать множество других процессов.
• Работа редко оптимизируется . Мы делаем и другие движения, по привычке или по необходимости. Мы дышим по-другому, мы можем сжимать кулаки или другие мышцы, или немного стискивать зубы (мышцы челюсти). Кроме того, мы можем обнаружить, что нам нужно держать некоторые скелетные мышцы более напряженными, а не расслабленными, чтобы части тела не «качались» (резкие движения и, возможно, повреждения во время бега), что не было бы необходимо при ходьбе.

Этот ответ может быть совершенно неверным. Смотрите обсуждение в комментариях. Формула мощности на полпути вниз страницы определенно неверна. Если модератор захочет удалить ответ, это будет хорошо, но я оставлю его до тех пор, так как считаю, что приведенное ниже обсуждение имеет ценность. Я думаю, что моя формула для средней мощности должна составлять 1/8 от того, что я использовал, что больше не будет квалифицироваться как большая часть расхода энергии, даже с учетом неэффективности мышц.

Большая часть дополнительных затрат энергии при беге приходится на компонент прыжка, а не компонент, затрачиваемый на горизонтальную движущую силу. Как только вы достигаете максимальной скорости, горизонтально прикладываемой мощности требуется не больше, чем для ходьбы. Но чтобы поддерживать эту скорость, вам нужно проводить большую часть времени в воздухе, а движение вверх и вниз требует больших затрат энергии.

Дополнение с фактическим расчетом:

Типичный бегун проводит около половины каждого шага (около 0,15 с) в воздухе при беге со скоростью выше 6 м/с.$^1$То есть гравитация совершает над ними работу в течение 0,15 секунды из каждых 0,3 секунды. Если мы предположим, что столкновение бегуна с землей на каждом шагу совершенно неупруго, то, чтобы не упасть, он должен приложить усредненную по времени вертикальную тягу с силой, равной половине той, которую сила тяжести прикладывает к ним в течение каждого 0,15-секундного периода падения. .

от$Pt = T = 1/2 mv^2, a = dv/dt$

у нас есть:

так:

Это около 7 ватт на килограмм бегуна. Экстраполируя данные в (1), будет значительно меньше, если вы бегаете трусцой медленно (больше времени контакта с землей и меньше времени в воздухе на шаг), и немного меньше, если вы бежите очень быстро (меньше времени на земле и времени в воздухе на шаг , но примерно такое же соотношение наземного и воздушного времени). Конечно, мышечная сила не эффективна на 100%, поэтому я ожидаю, что реальная ценность будет значительно выше.

Люди в исследовании на самом деле «бежали» очень медленно — 2,8 м/с, что больше похоже на ленивую пробежку и почти не включает время на воздухе на каждый шаг. Так что неудивительно, что их разница в мощности по сравнению с ходовой невелика (245 Вт).

Введя 0,05 с эфирного времени и 0,35 с наземного времени на шаг (из (1)) в приведенную выше формулу, мы получим для бегуна весом 70 кг:$P \approx 45\mathrm W$, оставляя около 200 Вт впустую.

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

Я сделал математическую ошибку, когда впервые разместил это дополнение.$P = 2m\Delta ta^2$как я уже сказал, но нам нужна мощность, усредненная по времени, в то время как сила, приложенная гравитацией, увеличивается со временем падения в соответствии с формулой. Формула, которую я должен был использовать (теперь исправлена), это$\langle P \rangle = m\Delta ta^2$

О мышлении в крайностях

Многие физики любят сначала мыслить крайностями. Приведу пример, часто я вижу, что какой-то вектор является проекцией какого-то другого вектора, тогда часто моя первая мысль: «Какой ответ, если$\theta = 0$? Как насчет$\pi/2?$” и это, как правило, крайние случаи: что-то катится “вниз” по ненаклонной плоскости, а эта вещь находится в свободном падении. Но, задав себе эти вопросы, я, с учетом своего опыта, могу написать что-то вроде$-\sin\theta.$Я знал, что это составляющая вращения, так что это был синус, или косинус, или что-то в этом роде, ноль на плоской плоскости и$-1$в свободном падении это единственная функция, удовлетворяющая всем моим требованиям.

Итак, в таком случае, какой самый экстремальный способ добраться из точки А в точку Б? Может быть, «детскими шажками» вместо «я преодолеваю всю дистанцию ​​одним потрясающим прыжком».

Теперь, если ваша догадка верна, у этих двух, вероятно, должны быть одинаковые потребности в энергии, но если ваша догадка неверна, они, вероятно, очень разные. Вероятно, вам не нужно проводить настоящий эксперимент. То есть у вас, вероятно, достаточно интуиции, чтобы не засчитывать время ходьбы до городских кварталов с самыми маленькими детскими шагами, которые вы можете сделать, а затем измерять расстояние до самого большого прыжка с места, который вы можете выполнить, а затем пытаться распределять эти прыжки по одному и тому же маршруту. интервал времени, чтобы увидеть, приводят ли они к одному и тому же уровню истощения. Ваша интуиция, вероятно, подсказывает вам, что одно из них будет болезненным на следующий день, а другое вы можете продолжать делать бесконечно долго.

Биофизические аспекты

Тогда, как хорошие физики, мы спрашиваем, почему прыжки причиняют больше боли? Ну, у меня есть эти мышечные волокна, и они повреждаются всякий раз, когда я прыгаю. Хорошо, но почему это происходит? Что ж, когда я приземляюсь, у меня есть значительное количество избыточной кинетической энергии, и энергия сохраняется, поэтому ее нужно рассеять. И он рассеивается в этих мышечных волокнах, если только я не хочу, чтобы его рассеивали переломы моих костей или трение моей кожи о мостовую. Большая проблема здесь заключается в том, что мои мышечные волокна могут преобразовывать АТФ в АДФ и использовать его для обеспечения мышечного сокращения, но они не используют растяжения или сокращения мышц, чтобы сделать обратное и преобразовать АДФ обратно в АТФ. Мы не способны к «рекуперативному торможению», поэтому любая кинетическая энергия, которую мы генерируем, должна рассеиваться.

На самом деле это очень интересно, потому что это поведение термодинамической системы, далекой от равновесия. В термодинамическом равновесии процессы имеют тенденцию быть обратимыми, а также медленными. Так что в некотором смысле ваши мышцы работают только потому, что они постоянно охлаждаются. И, вероятно, эволюционная причина этого заключается в том, что мы хотим, чтобы эти процессы происходили очень быстро, быстрее, чем мускулы наших исторических хищников и быстрее, чем мускулы наших исторических жертв.

Вернемся к физике. Теперь мы понимаем, сколько энергии тратится на прыжки и приземления после прыжков. Но прыжки — не идеальная модель потери энергии при беге по причинам, которые мы рассмотрим в следующем разделе. Но у нас есть одна подсказка: наши мышцы необратимы. Вот еще несколько подсказок:

• На беговой дорожке можно бегать, и это ненамного тяжелее, чем бег по ровной поверхности. Это указывает на то, что задействованная энергия участвует в поддержании рабочего состояния, а не в фактической прямой кинетической энергии.
• Также можно бегать — по крайней мере, исполнять танец, который на Земле вызвал бы бег, — в невесомости на Международной космической станции. Но это, похоже, было неэффективным средством для упражнений, потому что у них есть беговая дорожка, и они привязывают вас к ремням безопасности с пружинящими лентами, удерживающими вас на беговой дорожке. Так что это, безусловно, частично восстанавливает шаг, но, по крайней мере, половина этого имеет какое-то отношение к нашему весу. - Люди могут развивать гораздо более высокие скорости с помощью «ботинок кенгуру» или пяточных пружин, которые действуют как хорошие эластичные механизмы накопления энергии.

При сбросе шага: ваша нога должна двигаться назад с определенной скоростью, когда она соприкасается с землей, чтобы ваша обувь не скользила, и вы могли эффективно передавать силу, толкающую вас вперед. Проблема в том, что это оставляет вашу ногу в конце шага с большим количеством энергии, которая должна очень быстро вернуться к передней части вашего тела, чтобы подготовиться к следующему шагу, и хотя часть ее можно перенаправить, большую часть кажется, впитывается так же, как в прыжке. Но, опять же, если бы это было все, зачем отправлять беговую дорожку на МКС, а не просто несколько лент, которые бы подвешивали вас на одном месте?

Какой перенос энергии вызывает гравитация?

Выше я утверждал, что прыжки — плохая модель, и это вызвало некоторые сомнения в комментариях, поэтому я хотел проверить себя, поскольку биофизика так часто бросает вызов моему здравому смыслу. На тот момент я нашел одну интересную статью Gullstrand et al. (2009) «Измерения вертикального смещения при беге, методологическое сравнение». Gait & Posture 30: 71-75 ( ссылка ), который в основном посвящен другой теме, в основном о том, можете ли вы использовать отражатель или акселерометр вместо сложной модели центра масс для определения вертикального смещения во время бега. Рисунок 4 этой статьи:

Рис. 4. Зависимость между длительностью шага (с) и CoM V _disp (м) для каждого испытуемого при всех скоростях бега.

Это действительно захватывающая фигура, и мне пришлось некоторое время смотреть на нее. Первая захватывающая вещь, на которую стоит обратить внимание, это то, насколько близки все длительности шагов. Почти все данные находятся между 300 мс и 375 мс, или от 200 шагов в минуту на высоких скоростях до 160 шагов в минуту на медленных скоростях. Мы удваиваем скорость, но частота шагов увеличивается только на 25%, я ожидал большего! Таким образом, это означает, что более быстрый бег на самом деле зависит от увеличения длины шага, а не от более быстрого движения ног, но более быстрое движение ног, безусловно, является его частью.

Но к нашему вопросу, вертикальное смещение центра масс является прямым измерением гравитационной энергии во время шага, и поэтому, если я разделю продолжительность шага, я получу силу, прилагаемую для борьбы с «прыгающим» движением. Итак, на быстрой стороне я вижу точку (310 мс, 75 см) как находящуюся в середине кластера высокоскоростных пробежек, это соотношение составляет что-то вроде 24 Вт/кг, а может быть (370 мс, 100 см) больше. отличительная черта более медленной скорости, что-то вроде 28 Вт/кг.

Итак, основываясь на этих измерениях, у меня есть два вывода. Первый: «Это много!» ... Эти бегуны предположительно весят не менее 50 кг, поэтому силовые нагрузки в борьбе с гравитацией составляют около киловатта мощности! Просто для сравнения, базовый метаболизм на порядок ниже: 2000 ккал/день — это около 100 Вт, некоторые советы в Интернете говорят, что час упражнений должен быть в диапазоне 50-150 Вт, поэтому упражнения обычно ниже этого. также.

Но другое наблюдение заключается в том, что кажется, что на более высоких скоростях вы на самом деле боретесь с гравитацией меньше в единицу времени , примерно на 15% меньше мощности при удвоенной скорости. Теперь предостережение: основная цель статьи, включающей этот рисунок, состоит в том, чтобы доказать, что бегуны более неаккуратны на более низких скоростях: так что в некоторой степени это связано с индивидуальной изменчивостью, а не с физическими ограничениями проблемы. Так что я не чувствую себя комфортно, говоря «мы знаем, что вы меньше боретесь с гравитацией на более высоких скоростях» в качестве своего рода формулировки биофизики проблемы, я, конечно, могу представить, что тренированные бегуны, по сути, на 15% более небрежны при беге на более медленных скоростях. чем на высоких скоростях.

Но в любом случае, это не на 100% выше или что-то в этом роде, как можно было бы ожидать, если бы этот механизм вертикального смещения объяснял наше истощение во время бега. Плоская или убывающая, кажется, подтверждается доказательствами, для того, чтобы это могло быть объяснением-кандидатом, требуется резкое увеличение. Вместо этого это указывает на то, что огромное количество энергии накапливается и эластично высвобождается в мышцах ног и суставах.

Итак, каков ответ?

Я думаю, что происходит то, что наши шаги становятся менее эффективными. Ясно, что существует так много силы, прикладываемой туда и обратно против гравитации, что мы должны быть невероятно гибкими в нашем беге, только эти числа передачи энергии в 1 кВт во время упражнений, которые сжигают 100 ватт калорий, означают, что у нас должно быть что-то вроде 90. % эффективность.

Так что я думаю о передаче энергии как о негерметичном шланге, двигающемся по кругу. Существует постоянный поток энергии между пружинами наших ног и гравитационной потенциальной энергией, и это большое количество энергии, выплескивающееся туда и обратно, но на самом деле оно не становится намного больше или меньше, когда вы двигаетесь быстрее или медленнее. Этот поток более или менее фиксирован. Но по мере того, как мы делаем эти чуть более быстрые шаги, а также делаем их значительно длиннее, мы переводим наши мышцы в неэластичный режим, и поэтому они теряют все больше и больше энергии. И эта энергия не может быть восстановлена ​​нашими системами, потому что мы неравновесные системы.

При беге мышцам требуется более высокое потребление кислорода, поэтому ожидается, что значительная часть синтеза АТФ проходит по пути ферментации, который заведомо менее эффективен, чем обычное клеточное дыхание .

Прыжки сами по себе точно предсказывают все результаты, найденные в статье, как будет показано ниже.

Влияние трения на расход энергии при ходьбе и беге почти не заметно. Для начала рассмотрите трение о землю : оно применяется только тогда, когда ваша нога касается земли во время походки. В этот момент между вашими ногами и землей нет относительного движения, и поэтому (если вы не поскользнетесь) выполненная работа$\approx 0$. Второе воздушное трение : хотя необходимо учитывать небольшие поправки в зависимости от того, насколько быстро вы бегаете, обычно это не является основной причиной расхода энергии, что вы можете доказать, побегав на беговой дорожке. Посмотрите на бумагу и обратите внимание на то, что работает на резьбонарезной мельнице:$481 \, \mathrm{J}$и на ходу:$480 \, \mathrm{J}$, то есть вообще никакой разницы.

Основная причина затрат энергии на бег и ходьбу — это работа, совершаемая против силы тяжести, а поскольку горизонтальное смещение перпендикулярно силе тяжести, оно вам ничего не стоит и совершенно не имеет значения. В этом и заключается ошибка рассуждений авторов статьи: они перемещают « удельную массу » перпендикулярно соответствующей силе.

Причина 1: Основная причина наблюдаемой разницы: Прыжки

В отличие от движения колес, движение ногами имеет вертикальную составляющую. Позволять$r$быть длина вашей ноги измеряется от бедра до лодыжки. Если вы начнете прямо с вытянутыми ногами, ваш центр масс (примерно на уровне пупка) будет на высоте$h_0$. В тот момент, когда ваша передняя лодыжка коснется земли, а стопы максимально расставлены, ваш центр масс «упадет» в положение$h_1$по количеству

Где$\alpha$это угол, образованный вашими ногами и нормалью к земле. Это падение тебе ничего не стоит. Это за счет гравитации. Однако, чтобы восстановить свой рост в середине походки, вам нужно использовать мышечную силу и «подняться» назад, чтобы$h_0$. Эта процедура повторяется на каждом шагу, и благодаря этому движение центра масс выглядит как волна вверх и вниз (см. пунктирную линию на изображении ниже). Даже думал, что ты все еще на уровне земли, после$n$ступени, по которым вы поднялись (и свалили), эквивалентную высоте

^{Движение ногами включает в себя вертикальный волнообразный компонент, который является основной причиной расхода энергии при ходьбе: см. пунктирную линию. Из: «Трехмерный анализ походки может пролить новый свет на ходьбу пациентов с гемофилией» , Sebastien Lobet et al. В изображение не внесены изменения.}

И выполнил работу

Где$mg$вес человека и$\Delta h$среднее вертикальное смещение пупка человека на каждом шагу. От$(3)$вы можете видеть, что расход энергии зависит от общего количества шагов и от веса человека (как и ожидалось). Эта зависимость от веса объясняет, почему женщины тратили меньше энергии после упражнений, описанных в статье. Это произошло потому, что они были легче, заметьте, что отношение среднего веса мужчины к среднему весу женщины ($76.6 \, \mathrm{kg} / 63.9 \, \mathrm{kg} \approx 1.2$) совпадает с отношением средних энергозатрат мужчин к средним энергозатратам женщин ($520.6 \, \mathrm{kJ}/ 441.1 \, \mathrm{kJ} \approx 1.2$).

Во время бега этот рисунок (движение по вертикали) значительно увеличивается, превращаясь в небольшие прыжки. Соотношение работы, выполненной бегом и ходьбой, равно

Где$N$это общее количество пройденных шагов.

Из этой , этой и этой бумаги мы получаем$\Delta h_{walk} \approx 5 \, \mathrm{cm}$,$\Delta h_{run} \approx 12 \, \mathrm{cm}$,$n \approx 2352^1$,$N \approx 1882^1$поэтому

Причина 2: тепловыделение.

Как вы заметили, при беге в игре есть более высокая мощность. Эта повышенная мощность может привести к перегреву человека, что является потенциально опасным для жизни состоянием. Чтобы предотвратить такое катастрофическое событие, наше тело начинает потеть, чтобы создать естественную систему воздушного охлаждения, ведь жидкой воде потребуется поразительное$2260 \, \mathrm{kJ/kg}$скрытой теплоты парообразования для испарения. Если такой процесс будет препятствовать регулярному$65 \, \mathrm{kg}$бегун от перегрева опасным$2 \,^{\circ} \mathrm{C}$, это будет составлять затраты энергии$170 \, \mathrm{kcal}$. Этот эффект будет накапливаться по мере того, как беговая сессия становится более продолжительной, вплоть до того, что будет оказывать значительное влияние на полумарафон или марафон.

Причина 3: Метаболическая эффективность:

Из-за повышенной потребности в кислороде ваши клетки начнут анаэробно сокращать метаболизм глюкозы и накапливать молочную кислоту, что приведет, во-первых, к менее энергоэффективному процессу, а во-вторых, поскольку эта молочная кислота начнет вызывать проблемы у бегуна, например болезненность, например, часть его будет выведена из вашего тела без дальнейшего метаболизма, и его энергия будет потрачена впустую.

Причина 4: Сопротивление ветру:

Сопротивление ветру увеличивается с увеличением скорости.

Причина n: Неидеальная машина в неидеальной среде:

Поскольку неидеальная машина движется в неидеальной среде, изменение скорости может привести к различным потерям энергии. Например, интенсивность звуковых волн, возникающих при ударе о землю, трение о землю, эластичность мышц и сухожилий,… что угодно…

$^1$Шаги для$1607 \, m \approx 1$миля.

Одним из отличий является лобовое сопротивление, требуемая мощность которого зависит от скорости в третьей степени.

Я не мог легко найти оценку сопротивления для бега, но это обычно рассчитывается для езды на велосипеде, а велосипедист также является человеком в вертикальном положении. Конечно, потери грунта будут другими (перекатывание более эффективно, чем прерывистое движение бега), так что это не полная картина, а только оценка одного элемента. Подставив цифры из реферата, связанного с вопросом (1,41 или 2,82 м/с, дистанция 1600 м), в калькулятор мощности велосипеда с бегуном весом 70 кг и невесомым велосипедом, мы получим расход 27 кДж в темпе ходьбы и 37 кДж при беге только для преодоления сопротивление воздуха. С точки зрения мощности это 7 Вт для почти 17 минут ходьбы или 16 Вт для почти 10 минут ходьбы.

Кстати, именно поэтому в рекордах бега на длинные дистанции используется команда бегунов . Очевидно, они едут быстрее, поэтому сопротивление оказывает большее влияние.

Ошибка в ваших рассуждениях просто в том, что большинство систем не ведут себя как идеальные и упрощенные системы. Особенно это касается биологических существ.

В идеальном случае энергия, необходимая для движения, равна 0. Энергия нужна только для увеличения потенциальной энергии или скорости. Однако это явно не относится к людям. Ходьба — это просто процесс следования первому закону Ньютона, а скорее человек падает вперед и ловит себя.

Очевидно, что какой-то метод движения будет более эффективным, чем другие. Перескакивание менее эффективно, чем бег, но более эффективно, чем катание по земле.

Почему бег быстрее ходьбы — сложный вопрос, и, вероятно, он лучше подходит для биологов. Однако вот несколько причин.

Тащить

Более высокая скорость означает большее сопротивление. Это означает, что вы делаете больше работы, чтобы противостоять эффекту трения о воздух. Эта энергия рассеивается в виде тепла.

Маятниковое движение

Ваши ноги ведут себя как маятник. При идеальной скорости ходьбы ваши ноги качаются с естественной частотой. При беговых скоростях вам нужно использовать энергию для ускорения ног назад и силы.

Вертикальное движение

Ваш центр масс поднимается и опускается больше во время бега. Когда ваш центр масс опускается, гравитация совершает работу. Однако вы не восстанавливаете эту энергию. На самом деле, вам нужно использовать энергию, чтобы остановить вашу нисходящую скорость. Вам также нужна энергия, чтобы подтолкнуть себя обратно.

Баланс

Вам нужно тратить больше энергии, чтобы сохранять равновесие при беге. Например, вам нужно больше двигать руками вперед и назад, и опять же, не с их естественной частотой.

Упражняться

Бег и ходьба — это оба навыка. Вы становитесь лучше в них с практикой. Лучше, в данном случае, включает в себя более эффективные. Поскольку человек обычно тратит больше времени на ходьбу, чем на бег, он лучше ходит.

Распространенным камнем преткновения, указанным в других ответах и ​​комментариях, является нецелесообразность моделирования бегуна как точечного объекта ( сферического бегуна в вакууме ), как это делается в простой классической механике. Действительно, для кинематического или динамического (с точки зрения законов Ньютона) описания бегуна могут потребоваться более сложные модели. С другой стороны, энергетические и термодинамические аргументы не страдают от этого ограничения.

Довольно общий ответ, данный в базовой механике ( и применимый к объектам, которые не точечны ), заключается в том, что мощность пропорциональна силе, умноженной на скорость:

Является ли сила постоянной или увеличивается со скоростью, зависит от того, как мы моделируем бег. Наш повседневный опыт показывает, что если мы не применяем никакой силы (например, если мы перестаем двигать ногами), мы останавливаемся. Вероятная причина - аэродинамическое сопротивление. Таким образом, мы могли бы записать уравнение Ньютона в виде

Примечание

• Обратите внимание, что в этом простом механическом расчете не учитываются затраты энергии на движение частей нашего тела. Поскольку наши движения при ходьбе и беге сильно различаются, приведенное выше обсуждение на самом деле больше применимо к быстрой и медленной ходьбе, чем к бегу и ходьбе.

Как бегун в течение нескольких десятилетий, я могу подтвердить, что выделяется значительное количество тепла тела, и чем быстрее человек бежит, тем больше тепла. Если это не делается в относительно холодную погоду, это означает, что тело должно избавляться от тепла, что требует еще больше энергии.

Спортивная ходьба: при ходьбе расходуется больше энергии, чем при беге с той же скоростью.

Другие ответы касаются как бега, так и ходьбы с обычной скоростью соответствующего занятия.

Человек может бежать с любой скоростью от 0 до своего максимума и идти с любой скоростью от 0 до своего максимума ходьбы.

И есть диапазон скоростей, при котором ходьба возможна, но бег более эффективен.

Люди (а также другие животные, особенно лошади, которые могут двигаться несколькими способами) инстинктивно переключаются между различными режимами с более или менее правильной скоростью.

Почему вообще существуют разные режимы?

Мышцы человека могут выполнять два вида работы:

• статический (просто тянет что-то без движения или даже движется в противоположном направлении)
• динамический (тянуть что-то, делать работу в физическом смысле этого слова)

Увеличивая скорость, ходьба требует все больше и больше статической работы только для того, чтобы удерживать ноги на земле. В какой-то момент бег становится легче - даже с дополнительной работой, необходимой для прыжка выше (некоторая часть энергии прыжка восстанавливается за счет подпрыгивания на следующей ноге).

Как крайний пример: кенгуру. Их мышцы имеют третий тип действия: эластичный. (Мышцы человека могут делать то же самое, но менее эффективно.) Они могут использовать свои мышцы как пружины и использовать эту способность для своих знаменитых прыжков.

Биомеханическая эффективность.

Ходьба имеет более высокую эффективность, т.е. вы генерируете больше единиц полезного перемещения на единицу потраченной энергии. Рассмотрим передвижение на колесах, с автономным питанием, на велосипеде: это еще более эффективно, и именно поэтому вы можете путешествовать дальше и быстрее с теми же усилиями.