В чем разница между бегом в гору и бегом по наклонной беговой дорожке?

Очевидно, будут различия, такие как сопротивление воздуха; Меня это не интересует. Кажется, что вы работаете против гравитации, когда вы на самом деле бежите так, как если бы вы были на беговой дорожке, но, с другой стороны, кажется, что вы должны быть в состоянии взять часть беговой дорожки. ремень как инерциальная точка отсчета. Что тут происходит?

Говоря как когда-то «упавший бегун», я замечаю, что, установив беговую дорожку на 10% по сравнению с бегом по дороге на 10%, я пробегаю одно и то же расстояние за время, которое отличается менее чем на 5%, часто в пользу дороги. как это происходит. т.е. если поверхности ровные я вообще не наблюдаю особой разницы. Бегать по настоящим холмам, в отличие от дорог, намного медленнее. Бегая по ровной поверхности, я постоянно на 2-3% быстрее на беговой дорожке, что, как я полагаю, было просто сопротивлением ветру.

Ответы (9)

Для меня аксиома, что машинные мили легче реальных, но давайте проанализируем ситуацию.

Предположим, что бегун поддерживает постоянную скорость вверх по склону или остается неподвижным в кадре тренажерного зала на беговой дорожке. В обоих случаях ускорение бегуна равно нулю, поэтому мы знаем, что его ноги должны создавать постоянную силу с направленной вверх величиной. м грамм , и они должны сделать это против поверхности, проходящей под углом θ ниже горизонтали и движется со скоростью в .

Кинематика в системе отсчета бегунов выглядит одинаково. Это не является причиной разницы в воспринимаемой трудности.

Я всегда предполагал, что разница в сложности была двоякой:

  • Сопротивление ветру на самом деле не так уж и мало.
  • Беговая дорожка представляет собой очень однородную надежную поверхность, и бегуну не нужно поднимать ноги так высоко, чтобы не споткнуться.

Кроме того, современные беговые дорожки спроектированы таким образом, чтобы они были относительно легкими для коленей, и это достигается за счет ощущения легкой упругости, которое, по-видимому, возвращает бегуну некоторую энергию.

По своему опыту я согласен, что мили на беговой дорожке легче. Помимо возможности неправильной калибровки, у меня есть предположение, что лента немного замедляется, когда ваша нога ударяет по ней, а затем набирает потерянную скорость, в основном, когда вы находитесь в воздухе. Следовательно, вас не отбрасывает назад на той скорости, на которую настроена беговая дорожка.
@Mark: Это хорошее наблюдение, чтобы предотвратить это, вам пришлось бы действительно перестроить все это, что подняло бы цену до такой степени, что никто не купил бы это.
Я склонен верить этому ответу, но как он учитывает сохранение энергии? Вы должны извинить меня, если это глупо; Я не изучал физику со школы (а прошло уже несколько лет).
@aaron: Это вовсе не глупый вопрос, и ответ заключается в (1) разнице между значением «работа» Вт знак равно ф → ˙ г Икс → и «работа» означает «человек, это утомительно» (см. ответ Павла) и (2) вопрос о том, что произойдет, если вы просто перестанете бежать: на холме вы просто стоите там; но на беговой дорожке вы останавливаетесь, встаете на полотно и летите обратно в спортзал, приземляетесь на задницу (если вам повезет) и выглядите очень глупо , потому что платформа не статична --- дополнительная энергия расходы, чтобы сохранить свое место в тренажерном зале, несмотря на движение пояса.
Хорошо, это имеет смысл. Итак, суть в том, что для сил на уровне базовой физики нет никакой разницы?
@aaron, @dmckee, Вообще-то моя жена физик (фотоника) и бегун. Беговая дорожка выбрана потому, что это один из методов бега с наименьшим воздействием. Я считаю, что материал, по которому вы бегаете, и то, как удерживается наклон, имеют значение, но это считается бегом с низкой ударной нагрузкой.
@Kortuk: Это были бы «легкие на коленях» и «слегка упругие ощущения» по почте, не так ли? Лично я не большой их поклонник, но погода всегда хорошая...
@dmckee, я просто думаю, что для большинства бегунов именно это вызывает износ. Кроме того, большинство бегунов, которых я знаю, ненавидят их.
dmckee, мы обсуждаем это на [ fitness.stackexchange.com/q/5288/2841 ] (Fitness SE). Вопрос: есть ли количественная разница в количестве работы, выполняемой такой беговой дорожкой, и в количестве работы, выполняемой таким бегуном?
@TheChaz: Ну, ясно, что на машине вы не испытываете сопротивления ветра, которое может стать большой частью работы при быстром беге или против ветра. Кроме того, я не хочу делать никаких пророческих заявлений. Я думаю, что следующее самое большое отличие заключается в очень однородной поверхности: бегать по траве сложнее, чем по дорожке, не так ли?
Это? Я действительно не знаю... моя максимальная скорость одинаково мала на любой плоской поверхности :) Но вы говорите мне, что тротуар (например) НАСТОЛЬКО сложнее из-за ветра и состава поверхности ?!? Это было бы довольно неожиданно для меня, и определенно стоило бы исследовать.
@TheChaz Я не проводил даже простого эксперимента по этому поводу, но это мое лучшее предположение. Я знаю, что даже при слабом ветре одна нога моего бега всегда легче, чем другая, и я знаю, что по тропам, траве, полям, гравию и песку бежать труднее, чем по асфальту или дорожке (как судя по частоте сердечных сокращений, времени и выносливости).
Разве m перемещения моего тела в гору не может отличаться от m перемещения моих ног под собой на наклонной беговой дорожке?
@Dave: Мы обменялись комментариями в двух местах, но краткий ответ: нет. В двух системах отсчета, которые я построил в ответе (которые обе являются инерционными и, следовательно, обе одинаково действительными), взаимодействие с однородной плоской поверхностью идентично.

Слово «разница» может быть неоднозначным, но давайте посмотрим на ситуацию с нескольких точек зрения.

Энергетический баланс: Действительно, ваша потенциальная энергия действительно увеличивается в случае 1, а не в случае 2. Очевидно, что мышцы выполняют одну и ту же работу, значит, энергия должна куда-то уходить? Да, к электросети. Двигатель беговой дорожки, чтобы поддерживать постоянную скорость, будет потреблять меньше электроэнергии для этого (или может даже возвращать энергию обратно в сеть, в случае эффективного двигателя), потому что теперь ваши ноги фактически тянут его вниз. Если вы сделаете математику, вы увидите, что это точно компенсирует.

Мышечная работа: работа в термодинамическом смысле — это не просто F*dx. Нужно взять машину и рассмотреть все интерфейсы. Например, пружина или мышца имеют два конца, и dx в формуле на самом деле является разницей между двумя путями. Мышечное расширение/сокращение будет таким же, как и сила. Поэтому они выполняют одну и ту же работу. Эта работа представляет собой количество химической внутренней энергии, запасенной в мышце, преобразованной в механическую работу.

Предположим, что горка и беговая дорожка имеют одинаковый угол подъема (наклонены одинаково) и что два одинаковых человека А и В бегут по ним с одинаковой скоростью. в . Здесь скорость человека В, бегущего по беговой дорожке, заведомо равна нулю относительно земли, но мы будем считать скорость ленты беговой дорожки равной − в .

Предположим, что B и беговая дорожка теперь находятся в грузовике, который едет в гору параллельно A и с той же скоростью. в как A. Грузовик должен быть расположен так, чтобы B и беговая дорожка не наклонялись, когда грузовик поднимается в гору. По нашей гипотезе скорость верхней части ленты относительно земли равна нулю. Это не повлияет на усилие бегуна В, потому что тележка движется с постоянной скоростью. То есть нет дополнительных сил, вызванных инерцией, потому что грузовик не ускоряется, не тормозит и не меняет направление.

Глядя теперь на обоих бегунов А и В, мы видим, что они движутся параллельно с одинаковой скоростью. Они даже могут делать одни и те же движения синхронно. Угол возвышения у них тоже одинаковый. Но Б может даже не осознавать, что взбирается на холм, ему может казаться, что он находится в комнате без окон, которая не двигается. Условия идентичны. Значит, между ними нет никакой разницы.

Если наша интуиция по-прежнему говорит, что парень на беговой дорожке сжигает меньше калорий, давайте представим, что дорога, по которой человек А бежит в гору, представляет собой очень длинную беговую дорожку. Представьте, что под лентой находится беговая дорожка, которая делает две вещи: движется с одинаковой скоростью в к вершине холма, а верхняя сторона ленты движется назад с − в , так что ремень кажется закрепленным по отношению к земле. Снаружи лента не движется (и для бегунка А тоже). Теперь должно быть понятно, что разницы нет.

В приведенном выше я предположил, что ветра нет, беговая дорожка и бегуны движутся с одинаковой скоростью, разницы между бегунами нет. Я также предположил, что гравитация не ослабевает по направлению к вершине холма.

Я думаю, что этот аргумент изоморфен моему аргументу относительно того, что не объясняет воспринимаемую разницу. Мне нравится расположение грузовика: это умно.

У меня сложилось впечатление, что это то, что не требует сложной физики для объяснения, если вы сначала примените быстрый тест на здравый смысл. если вы поднимаетесь в гору, вы должны поднимать вес своего тела вверх с каждым шагом, иначе вы не продолжите движение вперед. если вы находитесь на беговой дорожке, вы можете поставить ногу вперед, но в то же время (на холме) вы будете отталкиваться от более высокой точки на земле, чтобы подняться в гору, беговая дорожка удобно опускает вашу ногу обратно вниз, чтобы отправной точкой, поэтому вам не нужно было сильно подниматься в гору, прежде чем перейти к следующему шагу. и это просто продолжается, когда беговая дорожка постоянно снова опускает ваш шаг, прежде чем у вас когда-либо появится возможность потратить ту энергию, которая вам понадобится, чтобы действительно подтолкнуть себя в гору. кто-нибудь еще это видит?

Давайте оценим некоторые из вкладов, обсуждаемых в ответе dmckee.

Сила тяжести

Мы можем вычислить мощность, затрачиваемую на набор высоты.

Вт грав знак равно м грамм час ˙ знак равно м грамм в грех ⁡ θ ∼ м грамм в θ
для малых углов, с некоторыми типичными числами
Вт грав знак равно ( 180  фунты ) ( 9,8  РС 2 ) ( 1  миля / 10  минуты ) ( 5  градусов ) ∼ 200  ккал/час
если я посмотрю в Интернете количество сожженной энергии, я получу 800  ккал/час .

Таким образом, кажется, что пробежать 10-минутную милю по 5-градусному уклону на улице требует примерно на 25% больше работы, чем на ровной поверхности.

Сопротивление воздуха

Далее рассмотрим сопротивление воздуха. У нас есть для его работы

Вт воздуха знак равно С г 2 р А в 3
с типовыми номерами
Вт воздуха ∼ ( 0,5 ) ( 1  кг/м 3 ) ( 2  м × 0,5  м ) * ( 1  миля / 10  мин ) 3 ∼ 4  ккал/час

что является гораздо меньшим эффектом. Около 1/2 %

Неоднородная поверхность

Если мы предположим, что бег на свежем воздухе требует от нас в среднем дополнительных 3 дюймов, то вклад мощности будет равен

Вт грубый знак равно м ноги грамм час дополнительный ф шаг
с некоторыми типичными цифрами
Вт грубый знак равно ( 0,3 × 180  фунты ) ( 9,8  РС 2 ) ( 3  дюймы  ) ( 2 /  с ) ∼ 30  ккал/час
что больше, чем сопротивление ветра, но всего на 4% больше, чем наше базовое рабочее число.

Пружина посадки

Что, если бы коэффициент восстановления был другим для беговой дорожки по сравнению с землей, тогда каждый раз, когда вы воздействуете, вам нужно было бы вкладывать меньше энергии в отскок, его энергосбережение должно быть

Вт весна знак равно ( Δ р ) м грамм ( Δ час центр массы ) ф
с некоторыми числами
Вт весна ∼ ( 10 % ) ( 180  фунты ) ( 9,8  РС 2 ) ( 6  дюйм ) ∼ 20  ккал/час

что составляет примерно 3% изменение.

Пока не знаю, что с ними делать...

Опять же, если этот анализ подтвердится, то наклон беговой дорожки не усложнит бег. Наклон кровати затрудняет бег.
@dmckee Вы, вероятно, скорее правы, чем ошибаетесь. Я добавил оценки по другим пунктам, которые вы обсуждаете, и удалил свое утверждение. Но... кажется, гравитация должна внести свой вклад, потому что я бы сказал, что бегать на улице более чем на 5% сложнее.
@dmckee Наклон кровати усложняет задачу . Я никогда не собирался возражать против этого, но я все еще хочу верить, что на самом деле для набора высоты нужно больше работать, чем нет.

Давайте выясним одну вещь: работа, выполняемая против силы тяжести, одинакова, независимо от того, бежите ли вы по наклонной беговой дорожке или бежите (с той же скоростью) в гору. Вы видите это, рассматривая движение в системе отсчета бегуна — вы не можете сказать, движетесь ли вы вверх или холм движется вниз.

И все же беговая дорожка легче по двум причинам: сопротивление ветру и коэффициент восстановления. Начнем с сопротивления ветра:

Ориентировочная площадь поперечного сечения корпуса - 0,5 м^2. Скорость 2,5 м/с (в гору...). Коэффициент аэродинамического сопротивления 1,2, плотность воздуха 1,2 кг/м^2. Сила сопротивления

Ф знак равно 1 2 р в 2 А с г знак равно 2.3 Н
поэтому потеря мощности из-за сопротивления ветра (беговая дорожка по сравнению с реальной жизнью) составляет всего около 6 Вт - очень малая часть типичной потребляемой мощности.

Настоящая разница заключается в том, как пояс «хранит» энергию. Когда ваша нога приземляется, она обычно находится прямо перед вашим телом. При хорошей технике точка будет очень близкой, и нужно будет поглотить мало энергии, так как ноги «укорачиваются» под нагрузкой. Это основной механизм потерь в беге. Когда беговая дорожка заменяет дорожное покрытие, происходят две вещи: лента имеет меньшую инерцию, поэтому тело бегуна не так сильно замедляется при ударе; и ремень растягивается и упруго накапливает часть энергии. Вот откуда берется экономия энергии - то, что DMcKee назвал "легким на коленях".

Я думаю, что наиболее существенная разница между работой, выполняемой на наклонной беговой дорожке, и работой, выполняемой на реальном наклоне, заключается в приросте потенциальной энергии на реальном наклоне. На беговой дорожке нет реальной дельты мгц, тогда как если бы вы упали на исходную высоту с реального наклона, вы бы наверняка заметили, что большое количество накопленной энергии превращается в кинетическую энергию!

(Бег на беговой дорожке) = (тратить энергию, чтобы ноги двигались с постоянной скоростью) + (другие эффекты)

(Бег в гору) = (тратить энергию, чтобы ноги двигались с постоянной скоростью) + (энергия, чтобы поднять центр тяжести на высоту холма) + (другие эффекты)

Если бы этот анализ был жизнеспособным, то наклон беговой дорожки не усложнил бы бег. Это не так (попробуйте), и причина этого в том, что вы должны поддерживать тело, отталкиваясь от отваливающейся от вас поверхности.
Возможно, вы расходуете энергию, поднимая свой центр тяжести, а затем высвобождаете ее (падаете назад), не восстанавливая ее, что приводит к чистым затратам. Я могу учесть это в своем балансе, добавив к нему термины более высокого порядка .
Что ж, да, но вы можете довести этот аргумент до бесконечно малого предела и восстановить инерциальную систему отсчета для обоих случаев. Проверьте мой ответ на предмет аргумента, основанного на кинематике относительно земли, как видно в системе отсчета бегуна.
Чтобы объяснить это в рамках предложенной вами структуры: вам нужно добавить еще один член к вашему первому уравнению (expend energy to push down the treadmill). Поначалу вы можете подумать, что не толкаете беговую дорожку вниз (в конце концов, она должна откатываться сама по себе), но помните, что если бы вы не толкали ее вниз, она бы не поддерживала вас на месте. .

Что, если бегунья сядет на свой велосипед на беговую дорожку? Должна ли она работать на наклонной беговой дорожке с большей нагрузкой, чем на горизонтальной, причем обе бегут с одинаковой скоростью?

(В этом случае езда на велосипеде по горизонтальной беговой дорожке почти не требует усилий, потому что на велосипеде реальное усилие — это сопротивление ветру, которого в данном случае не существовало бы.)

Если бы беговая дорожка была выключена, и она перестала бы крутить педали, она начала бы ускоряться назад вниз по склону из-за компонента своего веса. м грамм действует вниз по склону, а именно м грамм грех ⁡ ( θ ) .

Ощущение на (бегущей) наклонной беговой дорожке под углом θ будет таким же, как езда на велосипеде по ровной поверхности (опять же без сопротивления ветра), но с эластичным ремнем или пружиной, оказывающей обратное усилие на велосипед (эквивалент компонента м грамм грех ⁡ ( θ ) ее веса в зависимости от требуемого угла подъема). В отличие от случая на флэте без резинки, ей теперь приходится сильнее давить на педали, чтобы совершить работу, прикладывая соответствующее усилие в точке контакта ведущего колеса на соответствующей скорости.

Аргументы и выводы в пользу велосипеда переносятся на бегуна. Но проще представить ситуацию для велосипеда, потому что его меньше смущает сложное движение бега.

Если кто-то едет на велосипеде по плоской движущейся беговой дорожке, это кажется почти легким, потому что (без учета потерь при передаче), чтобы оставаться неподвижным, ему нужно только преодолеть сопротивление качению между колесом и поверхностью беговой дорожки для данной скорости. В случае наклонной беговой дорожки, движущейся с той же скоростью, сопротивление качению одинаково, поэтому требуемое усилие также одинаково.
В чем разница между бегом в гору и бегом по наклонной беговой дорожке?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v