Uresničujemo prihodnost.

Čista moč

1. del (teorija energije)

Človeško telo je neverjetna naprava, ki zmore veliko - posebej telo maratonca, ki je pripravljeno do popolnosti in lahko zdrži neverjetne napore. Tekača "poganja" energija, ki se pri teku porablja. Lahko bi jo pretvorili v električno energijo in z njo poganjali vsakodnevne naprave.

Poglejte video in se seznanite s teoretičnim ozadjem projekta Čista moč.

Poglej video

Hiter pregled izkoristka pretvorbe kalorične energije v mehansko delo pri tekaču.

Pripravil Marko Kovač, Institut “Jožef Stefan”

1. Uvod

Človeško telo za opravljanje (mehanskega) dela potrebuje energijo, ki jo povečini dobi s hrano. Kalorična vrednost te pove koliko kemične energije je spravljene v njej. Hrana se v prebavnem traktu predela v kemične spojine, ki se porabljajo pri raztezanju in krčenju mišic. Mišice opravljajo mehansko delo, ki ga lahko z generatorjem pretvorimo v električno energijo.

2. Raziskovalci

Z ugotavljanjem učinkovitosti tekačev so se ukvarjali številni znanstveniki. Ena prvih sta bila Cavagna in Kaneko1, ki sta ugotovila, da je zunanje delo tekača (oznaka Wext na sliki 1) glede na pretečeno razdaljo nekako konstantno, ne glede na hitrost tekača. Potrebna energija je odvisna le od mase tekača in pretečene razdalje.

Delo in učinkovitost pešca in tekača
Slika 1: Delo in učinkovitost pešca in tekača

V Tabeli 1 so navedeni rezultati poglavitnih raziskav specifične moči tekačev (specifična moč je definirana kot moč relativna na razdaljo in maso).

Izračunane in izmerjene moči tekačev
Tabela 1: Izračunane in izmerjene moči tekačev

Pomembno je omeniti še Farrisa in Sawickega2, ki sta izračunala mehansko in metabolično moč v odvisnosti od hitrosti pešca oziroma tekača (Slika 2). Izkoristek pri teku po njuni raziskavi doseže med 35 % in 41 %, za vsak 1 m/s spremembe hitrosti pa je potrebno 1,71 W/kg (linearna regresija je prikazana na Sliki 3).

Mehanska in metabolična moč pešca oziroma tekača
Slika 2: Mehanska in metabolična moč pešca oziroma tekača
Interpolacija specifične moči
Slika 3: Interpolacija specifične moči

Večina raziskovalcev za izračun mehanske moči tekača uporabi model tekača, pri čemer so njegove okončine nihala, ki zahtevajo energijo za premikanje, kot so v svojem delu izvedli Biewener, Farley in ostali, kar je prikazano na Sliki 4.

Mehanski model tekača
Slika 4: Mehanski model tekača

3. Fizikalna izpeljava

Glede na povzetek strokovne literature lahko mehansko energijo izrazimo kot seštevek energije, ki jo porabimo za pot od starta do cilja, ter pribitka zaradi povečane hitrosti.

energija tekača = energija zaradi premika + energija zaradi povečane hitrosti

Oziroma v bolj fizikalnem zapisu:

energija zaradi premika je odvisna od mase tekača (oznaka mtek), pretečene razdalje (ltek) in mehanske specifične moči (CE), torej lahko zapišemo:

energija zaradi povečane hitrosti je spet odvisna od teže (mtek), hitrosti nad osnovno hitrostjo (𝑣𝑡𝑒𝑘−𝑣0), časovnega trajanja teka (ttek) in specifične moči zaradi hitrosti (CV):

Pozor: če je hitrost tekača pod osnovno (torej pod 10 km/h), potem da enačba negativen pribitek, kar ni v skladu s teorijo.

Zato je smiselno za teke pod osnovno hitrostjo uporabljati enačbo brez pribitka.

Če enačbi združimo in uporabimo druge enote - kilograme (kg) namesto metrov (m) in minute (min) namesto sekund (s) -, se enačba za mehansko energijo v džulih glasi takole:

Pri tem moramo upoštevati naslednje konstante:

Mehanska specifična moč:

Specifična moč zaradi hitrosti:

Osnovna hitrost:

4. Primer uporabe

Za 70-kg tekača, ki bi maraton pretekel v 3 urah, lahko izračunamo:

Izračunana energija teka predstavlja mehansko energijo vseh mišic, ki pri teku sodelujejo, in bi jo lahko pridobili z dovolj natančnimi napravami. Vse več tekačev pa uporablja tekaške merilce moči (ang. powermeter) ali aplikacije, ki ocenjujejo proizvedeno moč. A učinkovitost metabolizma pri teku je precej višja kot pri kolesarstvu, zato za zagotavljanje primerljivosti merilci moči to zmanjšajo na približno 60 %.

V zgornjem primeru specifična moč tekača znaša 8,1 W/kg, a merilec moči bo zaradi zgoraj navedenega pokazal 4,8 W/kg.

5. Primerjava porabe

Dobljeno mehansko delo lahko primerjamo s porabo nekaterih domačih naprav. Pri tem je potrebno upoštevati, da pri pretvorbi tekaške mehanske energije v električno izgubimo približno 20 % energije. Tabela 2 prikazuje želene porabe za tekača, ki teče s hitrostjo 10 km/h, in porabo bolj znanih naprav.

Tabela 2: Primerjava porabe različnih naprav in energije tekača, ki ima 70 kg in teče s hitrostjo 10 km/h.

Primerjava porabe različnih naprav in energije tekača, ki ima 70 kg in teče s hitrostjo 10 km/h.

VIRI IN LITERATURA

  • G. A. Cavagna And M. Kaneko: Mechanical Work And Efficiency In Level Walking And Running, J. Physiol. (1977), 268, pp. 467-481
  • Gertjan Ettema, Havard Wuttudal Loras: Efficiency in cycling: a review, Eur J Appl Physiol (2009) 106:1–14
  • K.E. Bijker, G. de Groot, A.P. Hollander: Differences in leg muscle activity during running and cycling in humans, Eur J Appl Physiol (2002) 87: 556–561
  • R. Candau, A. Belli, G.Y. Millet, D. Georges, B. Barbier, J.D. Rouillon: Energy cost and running mechanics during a treadmill run to voluntary exhaustion in humans, Eur J Appl Physiol (1998) 77: 479–485
  • E. Minetti, L. P. Ardigò, F. Saibene: Mechanical Determinants Of The Minimum Energy Cost Of Gradient Running In Humans, J. exp. Biol. 195, 211–225 (1994)
  • Dominic James Farris, Gregory S. Sawicki: The mechanics and energetics of human walking and running: a joint level perspective, J. R. Soc. Interface, doi:10.1098/rsif.2011.0182
  • L. G. C. E. Pugh: The Influence of Wind Resistance in Running And Walking and the Mechanical Efficiency of Work Against Horizontal or Vertical Forces, J. Physiol. (1971), 213, pp. 255-276
  • Andrew A. Biewener, Claire T. Farley, Thomas J. Roberts, Marco Temaner: Muscle mechanical advantage of human walking and running: implications for energy cost, J Appl Physiol 97: 2266–2274, 2004.
  • P. Samozino, G. Rabita, S. Dorel, J. Slawinski,N.Peyrot, E. Saez de Villarreal, J.-B. Morin: A simple method for measuring power, force, velocity properties, and mechanical effectiveness in sprint running. Scand J Med Sci Sports 2016: 26: 648–658
  • Bernard X.W. Liew, Susan Morris, Kevin Nett: The effects of load carriage on joint work at different running velocities. Journal of Biomechanics, Volume 49, Issue 14, 3 October 2016, Pages 3275-3280
  • Sabine Ehrstro, Marcus P. Tartaruga, Christopher S. Easthope , Jeanick Brisswalter, Jean-Benoit Morin, Fabrice Vercruyssen: Short Trail Running Race: Beyond the Classic Model for Endurance Running Performance, Medicine & Science in Sports & Exercise, DOI, 10.1249/MSS.0000000000001467
  • Maria Carolina Traina Gama, Ivan Gustavo Masselli dos Reis, Filipe Antônio de Barros Sousa, Claudio Alexandre Gobatto¸: The 3-min all-out test is valid for determining critical power but not anaerobic work capacity in tethered running, PLOS, doi.org/10.1371/journal.pone.0192552, February 14, 2018
  • Richard Hugh Morton, J R Fitz-Clarke, E W Banister: Modeling human performance in running. October 1990. Journal of Applied Physiology 69(3):1171-7, DOI: 10.1152/jappl.1990.69.3.1171
  • Garmin: Running Power Higher Compared to Cycling Power, support.garmin.com/en-US/?faq=vAzl2ne5dV6diuc2XbYZA6
  • Alex Hutchinson: What Is "Running Power," Anyway? Outside, Jan 29, 2018, https://www.outsideonline.com/2276656/what-running-power-anyway

Razvoj e-steze po fazah

Teorija energije

Človeško telo je neverjetna naprava, ki zmore veliko - posebej telo maratonca, ki je pripravljeno do popolnosti in lahko zdrži neverjetne napore. Tekača "poganja" energija, ki se pri teku porablja. To energijo bi v celoti lahko pretvorili v električno energijo in z njo poganjali vsakodnevne naprave. Poglejte video in se seznanite s teoretičnim ozadjem projekta Čista moč.

Preberi več

Načrtovanje e-steze

Tekaško stezo je mogoče predelati tako, da mehansko energijo teka pretvarja v električno energijo. Elektromotor mora v tem primeru generirati električno energijo, namesto, da ga le-ta poganja. Da pa energijo, ki jo pretvarja v električno, e-steza tudi shranjuje, so potrebne še ostale predelave jedra steze. Poglejte video in se seznanite z načrtovanjem projekta Čista moč.

Preberi več

Izdelovanje e-steze

Ker je tekač med tekom v fazi leta z obema nogama v zraku, pri teku na tekaški progi to pomeni, da tekač trak potiska samo del časa. Zato je izdelovanje e-steze vključevalo vgraditev vztrajnika in korigiranje prestavnega razmerja, kar je vplivalo tudi na zunanjost e-steze. Poglejte video in se seznanite s podrobnostmi izdelave e-steze.

Preberi več

Testiranje e-steze

30 minutni test e-steze z Nejo Kršinar, državno prvakinjo v polmaratonu, je pokazal, da je v tem času shranila toliko električne energije, da bi ta zadostovala za 2 uri in pol napajanja 6.5 W LED žarnice, za 1 uro in pol poslušanja glasbe iz 10 W baterijskega ter za privijačenje 60 vijakov z baterijskim vijačnikom. Poglejte si video in se seznanite s podrobnostmi zaključka projekta Čista moč.

Preberi več

Uresničujemo prihodnost.

e-Golf