Калории и энергозатраты

[Ghost]

Всем привет!

Я тут недавно и собственно, не описываю своё голодание, хотя опыт голодания 23 дня имеется, может, о нём напишу когда-нибудь. Как раз в этом время и задумался о количестве калорий. Некоторые значения энергозатрат из других областей мне были уже знакомы, плюс люблю считать Тогда я ещё не читал книги Шаталовой, прочитал как раз из-за того, что в обсуждениях её шли разговоры на тему низкокалорийного питании.

Честно говоря, не знаю, в том ли разделе создал тему, слишком много тут математики и отвлечённых вопросов Но тема всё-таки о калориях.

Надеюсь, для кого-то информация здесь будет интересной. Я буду приводить расчеты, без них никак

Итак. Рекомендации в потреблении человеком калорий довольно разнятся, как и неизвестно, кто такой "средний мужчина" . Часто встречается норма в 2500 ккал в день, иногда и в 3000. В общем, будем считать, что рекомендуемая норма потребления калорий для "среднего мужчины, не занятого физическим трудом", - 2500 ккал в день. Наверно, не всякий задаётся вопросом: "А сколько это вообще энергии? Много это или мало?"
Можно сравнить эту цифру с известными нам затратами энергии на что-то. Конечно, сравнивать человека с лампочкой странно, лучше посмотреть затраты на производство "работы": бег, езда на велосипеде и т.д.

Вводная информация для расчетов:
1 Вт*ч = 3600 Дж
1 кал ~= 4.2 Дж ~= 1.165 Вт*ч

Вт*ч/км - это единица потребления энергии транспортом (или даже человеком) для передвижения на 1 км. Она часто встречается в тех. характеристиках транспорта, чаще в виде л/км. Но она не учитывает массу, например, велосипед требует меньше энергии, чем автомобиль, но относительно своей массы автомобиль экономней (из-за высокой обтекаемости). Поэтому введём другую единицу (здесь Вт*ч заменено на Дж):
Дж / (кг*км) - это единица потребления энергии на единицу массы и расстояния ("килограммо-километр"), она позволяет объективно сравнивать энергозатраты различного транспорта.

Итак, сколько энергии тратится, например, на езду на велосипеде?
Данные можно посмотреть, например, вот здесь (ссылка). Заметьте, что цифры приводятся для электродвигателей, а т.к. их КПД очень высок, процентов 90%, можно считать, что это "чистые" показатели энергозатрат.
По ссылкам говорится, что при езде на обычном туристическом велосипеде со скоростью около 25 км/ч тратится 250 Вт энергии. То есть 250 Вт*ч на 25 км, или 6 Вт*ч/км = 21600 Дж/км. Можем прикинуть, что полный вес человека с велосипедом (12 кг) примерно 80-85 кг, тогда относительный расход энергии будет 260 Дж/кгкм.
Заметьте, 25 км/ч это неплохая скорость для велосипеда.

Насколько реальна эта цифра? Возьмём данные для электромобилей.
Tesla Model S. Масса с большой батареей 2100 кг, с водителем 2170. Официальный тест EPA: 426 км в смешанном цикле (!) на заряде батареи в 85 кВ*ч. Т.е. 200 Вт*ч/км, или 331 Дж/кгкм. Это без учёта того, что на самом деле весь заряд батареи не расходуется.
SIM-WIL. Масса с водителем 1650 кг, расход 35.1 кВт*ч на 351 км, т.е. 100 Вт*ч/км, или 218 Дж/кгкм. Кстати, его предшественник, SIM-LEI ещё экономичней
Как видите, цифры впольне реальны.

Теперь мы можем посчитать:
2500 ккал = 2910 Вт*ч.
Вспомним, что расход для велосипеда был 6 Вт*ч/км.
2910 / 6 = 485 (км).
Т.к. КПД электродвигателя не идеальный, можно округлить это значение до 500 км.
Итак, эквивалента энергии из рекомендуемой человеку дневной нормы в 2500 ккал, хватает на то, чтобы проехать на электровелосипеде порядка 500 км!

Но это машины, да ещё на колёсах. Но есть пример из природы.
Птица малый веретенник может пролететь аж до 11680 километров на скорости 70 км/ч без еды и остановок. При этом перед началом полёта жир может составлять до 55% массы тела птицы, а к концу сжигается полностью. Зная это, мы можем рассчитать её "расход энергии". 1 грамм жира даёт примерно 9 ккал, или 37.7 кДж. Если просто разделить начальные массу жира на массу тела, получится расход в 0.55 * 1000 (грамм) * 37700 / 11680 = 1775 Дж / кгкм.
Но так просто считать нельзя, потому что весь птицы уменьшается. Обратимся к высшей математике
Сжигая долю жира массой dm птица пролетает расстояние ds, равное
ds = k * dm / m
где m - это текущая масса птицы, а k - это коэффициент, включащий в себя все вычисления относительно калорийности жира и т.д.
Т.к. жир сжигается полностью, то конечная масса птицы составляет 0.45 от начальной. Проинтегрировав правое выражение по массе от 0.45 до 1, получим:
k * (ln 1 - ln 0.45) ~= 0.8 k
Число 0.8 означает, что не теряй птица веса, то для преодоления этого расстояния ей пришлось бы израсходовать количество жира, равное 80% от её веса (ну, представим, что жир поступает извне, неважно, у нас тут математика пока что). Т.е. если она весит постоянно 1 кг, то для перелёта надо 800 грамм жира. А в реальности тратится 550 грамм, потому что вес птицы уменьшается.
Можно пояснить на примере выражения:
ds = k * dm / m_const,
где масса m_const не меняется. Тогда интеграл будет равен
k * (1 - 0.45) = 0.55 k

С учётом этого можем рассчитать, что реальный расход энергии птицей равен 1775 * 0.8 / 0.55 ~= 2580 Дж / кгкм.

С одной стороны, это довольно много, аж почти в 10 раз больше, чем у велосипеда. С другой стороны: КПД мышц птицы максимум 50%, т.е. разница с велосипедом уже сократилась до 5 раз, а расход реальной энергии уже меньше 1290 Дж/кгкм. Часть энергии уходит на поддержание температуры и жизнеобеспечение. Пускай, разница сократится до 4.5 раз. Остальное можно объяснить следующими утверждениями: полёт намного затратней, чем езда на колёсах, раза этак в 2 минимум; птица летит со скоростью 70 км/ч, велосипед едет 25 км/ч, а аэродинамика птицы вряд ли лучше, чем у велосипедиста на велосипеде. А расход энергии растёт намного быстрее, чем скорость.
В аэродинамике я не силён, но насчёт полёта рассуждения могут быть такие: на птицу действует сила тяжести 9.8 м/с2 * вес птицы. Если бы птица весом 1 кг падала камнем вниз, сила тяжести совершала бы работу 9.8 Дж за секунду падения, т.е. "мощность" падения 9.8 Вт, и её как раз надо преодолевать. Один километр пролетается за 3600/70 = 51 секунду, и работа для преодоления составляется порядка 9.8 * 51 = 504 Дж/кгкм. Точное значение я знать не могу, оно может быть меньше, потому что птица не камень. Вспомним, что реальной энергии для полёта у нас остаётся максимум 1290 Дж/кгкм, и отсюда видим, что всё-таки значительная часть энергии тратится просто на поддержание птицы в воздухе.

Замечу, что если сравнить расход топлива самолётом и птицей, расчёты будут далеко не в пользу самолёта. Но у него много других факторов: хорошая аэродинамика (+), огромная скорость (-), низкая плотность воздуха (+). Поэтому сравнить их напрямую очень тяжело.

Теперь примемся за человека. В разных книгах по биологии говорится, что КПД мышц человека около 50% и приводится сравнение с ДВС, у которого КПД всего лишь 30-35%. Можно встретить цифру для человека в 35%, иногда даже меньше, но в таком случае такие показатели должны быть справедливы и для птицы.

Итак, имеем результаты. 2500 ккал хватит на то, чтобы:
- проехать 500 км на велосипеде на средней скорости на электротяге
- проехать 200-250 км на велосипеде усилиями человека
- пролететь 50 км на скорости 70 км/ч, если бы у человека были крылья

А что же бег? Очевидно, он находится где-то между ездой и полётом и скорей всего, ближе к езде из-за низкой скорости и, следовательно, сопротивления воздуха. Плюс, полёт требует много затрат на преодоление силы тяжести, как мы видели выше. Поэтому можем считать, что 2500 ккал хватит на то, чтобы пробежать порядка 100-150 километров!

Много ли кто, потребляя столько калорий в день, проезжает 200 км на велосипеде или пробегает 120 км каджый день? На жизнеобеспечение на самом деле тратится очень немного энергии.

Имея эти расчёты, я не был удивлён результатам Шаталовой, которая утверждает, что:
- её сверхмарафонцам, которые преодолели 500 км за 16 дней, нужно было всего 1200 ккал в день
- не занятому физическим трудом человеку достаточно 600 ккал в день
- основной обмен человека составляет 250-450 ккал

Одни автору рассматривают человека как "топку", которая сжигает калории, и неизвестными никому реальными данными о затратах человека на работу и жизнеобеспечение объясняют необходимость потреблять 2500 ккал в день. Мои расчёты показывают, что это очень много энергии.
Другие, например, Шаталова, против концепции "топки", и говорят, что получать с пищей человеку надо намного меньше калорий. (Данные о её сверхмарафонцах вроде бы официально зафиксированы и моим расчётам никак не противоречат). Но опять же, из-за незнания реальных энергозатрат, появляется объяснение низкокалорийного рациона наличием "неведомых" источников энергии.

Лично меня концепция "топки" полностью устраивает. Процесс окисления есть процесс окисления. Но почему мы едим больше, чем "надо", и сей факт некоторые используют для оправдания так называемых норм? Может утверждаться, что очень много энергии уходит на питание мозга. Почему-то забывается, что:
- часть еды попросту толком не переваривается. Хороший пример - виноградная кожура, куски орехов.
- не вся энергия извлекается из пищи. Кизяки ведь горят
- действительно, часть энергии уходит на пищеварение, но об этом забывают не всегда
- излишки энергии могут элементарно выходить, например, в туалет. Почему тяжело потолстеть на фруктах (нежирных!), даже если есть их в большом избытке калорийности? Куда все эти калории деваются?

Фуф, всё

[ЛГТ]

Сообщение от Ghost

А что же бег? Очевидно, он находится где-то между ездой и полётом и скорей всего, ближе к езде

При беге центр тяжести тела совершает при каждом шаге вертикальные колебания с амплитудой 4-6 см, на что тоже тратится энергия. На километре бегун делает примерно 600-800 шагов, обе цифры зависят от скорости. Зная еще и вес человека, обычно 60-70 кг, расход энергии подсчитать несложно .
При езде на велосипеде общий центр тяжести вертикальных колебаний не совершает, этот способ передвижения более экономичен. Зато сопротивление воздуха влияет очень сильно, даже слабенький встречный ветер в 3-4 м/сек заставляет усилия чуть ли не удвоить. По аэродинамике птица гораздо совершеннее.

[allright]

Да все уже украли посчитали до нас
Есть всякие спопсобы калориметрии и довольно точные. По-памяти, макс. КПД мышечной работы -23.5%, и это далеко не у обычных людей, а у топовых спортсменов. Обычный человек будет и кпд меньший иметь и двигается довольно неэкономично (ходит, бегает, по ступенькам поднимается, рулем крутит и т. п.), так что если полезная работа 10% от затраченной энергии составляет - это уже хорошо. Плюс не забываем, что метаболизм - это биохимия. Природу не обманешь, если химческая реакция идет с выделением определенного количества тепла на моль - хоть убейся, ни половины нанороджоуля срезать не удастся
Еще не забываем, что в общий калораж включают "белковые" калории, большая часть которых, при сбалансированном рационе, не будет исползована на получение энергии, а наоборот - будет отнимать ее на биосинтез.

[Maksenek]

Ghost, спасибо за подробный разбор энергозатрат, но вы рассудили чисто с "технической" позиции, проигнорировав биологию. Согласен, что поиск "альтернативных источников энергии" - это бред крайне невежественных людей, не понимающих, что на ту же работу можно тратить меньше энергии. Но и Ваше предположение, что дело в различном усвоении пищи - ошибочно, поскольку у здорового человека все белки, жиры и углеводы усваиваются почти на 100%, независимо от вида и количества пищевых волокон в рационе:



Но если обратиться к биологии, то вполне очевидно, где резерв для экономии энергии, благодаря чему некоторым людям, в т.ч. и с нашего форума, хватает всего 600 ккал для поддержания веса при обычном образе жизни. Это, если коротко, снижение затрат на пустой термогенез, что регулируется гормонами щитовидки - гл. образом трийодтиронином и обратным трийодтиронином. Подробнее это обсуждали в темах, например, "Низкокалорийный рацион питания как путь к долголетию" http://golodanie.su/forum/showthread.php?t=9475 и "Система и диета Шаталовой - у кого есть опыт?" http://golodanie.su/forum/showthread.php?t=9809.

[Ghost]

ЛГТ, подскажите подробней, как рассчитать затраты на бег, пускай чисто с "технической" позиции, без биологии. А ещё лучше, цифры приведите Думаю, оптимальная скорость для бега не больше 10-15 км/ч, потому что дальше уже мешает сопротивление воздуха.

allright, мне кажется, эти способы калориметрии меряют не совсем то, что нужно. В лучшем случае, выделение тепла, в худшем - просто то число калорий, которое человек съел для совершения работы.
1) Ну, представьте, вкрутить обычную лампочку и утверждать, что ей нужно 100 Вт энергии, чтобы светить с такой-то светимостью. Хотя можно вкрутить энергосберегающую на 20 Вт с такой же светимостью. Понятно, у лампочек конструктивное различие. Но излишнее выделение тепла или потери энергии неизвестно куда, а не на совершение полезной работы - это всё-таки тоже проблема человека. Правда, непонятно: если человек ест в 4 раза больше и выделяет намного больше тепла без совершения работы, тогда и его температура должна быть выше! Пример из техники: к мощным видеокартам приделывают здоровенные радиаторы или вентиляторы, потому что они выделяют слишком много тепла как побочный продукт "полезной работы" и сами по себе не справляются с его отводом. Если человеку предписано природой потреблять 600 ккал, а он ест 2500, то его теплоотводение должно постоянно работать в напряженном режиме.
2) А при подсчёте съеденных калорий получается вот как. Те же сверхамарафонцы. У подопечных Шаталовой из-за высоких нагрузок потребление калорий возрастало до 1200 ккал, и этой разницы как раз хватает на то, чтобы пробежать, сколько они там пробегали, 30-40 км по пустыне. У "обычных" людей потребление возрастало с 2500 ккал до 5000-6000 ккал. Калориметрия показала бы очень разные результаты, а какие считать верными?
Есть одна книга, где автор пытается "разгромить" вегетарианство, у него почему-то по определению вегетаринство = малоедение = Шаталова, и всю книгу он придирается к цитатам Шаталовой и объясняет возможность малоедения тем, что вегетарианцы просто снижают питание мозга и => с головой у них плохо Ага, 2500 - 600 = 1900 ккал разницы потребляет мозг! Как бы он объяснил, почему тогда для сверхмарафона одним людям нужны дополнительные 600 ккал, а другим - 2500-3500. Опять мозг? Но мозг своё из первоначальных 2500 уже получил, дополнитеьная энергия нужна только для бега.

Если не брать только технику, то действительно хороший пример и способ получился с птицей, потому что мы знаем долю уже точно запасённого жира (а не просто съеденной еды), и есть большое количество совершаемой работы (перелёт). По этим данным можно судить, сколько может совершить работы человек. Насчёт КПД не знаю, вряд ли он сильно выше у птицы, принципиальных отличий в мышцах у птицы и человека не вижу, материал один. Разве что человек нетренирован.

Maksenek, спасибо, почитаю эти темы. Но вы согласны с этими утверждениями?
- некоторые частицы пищи, вроде виноградных кожурок или неразгрызенных кусков, например, орехов, почти не перевариваются и выходят как есть
- кизяк горят, следовательно, не вся энергия была из него извлечена. Если бы была извлечена, то он не мог гореть бы в принципе. Возьмите золу, не горит она.

[Maksenek]

Сообщение от Ghost

Но вы согласны с этими утверждениями?
- некоторые частицы пищи, вроде виноградных кожурок или неразгрызенных кусков, например, орехов, почти не перевариваются и выходят как есть
- кизяк горят, следовательно, не вся энергия была из него извлечена. Если бы была извлечена, то он не мог гореть бы в принципе. Возьмите золу, не горит она.

Ghost, конечно, но для обычных людей это проценты, а не разы (см таблицу выше), и кизяки они не производят

Можно конкретный вопрос - на кой вам всё это?

[Ghost]

"Это" что? Если вы про энергию, то просто решил подсчитать и сравнить с работой. И хочется понять, сколько на самом деле человеку надо потреблять энергии.

[Maksenek]

Сообщение от Ghost

"Это" что? Если вы про энергию, то просто решил подсчитать и сравнить с работой. И хочется понять, сколько на самом деле человеку надо потреблять энергии.

Для этого нужны инструментальные исследования и научные факты. Метод псевдоученых (просто рассуждать, не проверяя ничего экспериментально) - не опускайтесь до этого. Если интересно - пожалуйста, идите в науку и исследуйте. Ну или поставьте собственный эксперимент, как мало вы можете приучить себя есть, а потом сдавайте себя на исследования

Хотя всё уже исследовано и без вас - экстремальное ограничение калорий (65%) для млекопитающих - реально:



Для мышей и вроде бы для людей по крайней мере))

Возможно, это продлевает жизнь и людям, ну или хотя бы улучшает здоровье, так что если хотите поставить на себе такой эксперимент - дерзайте))) Хотя конечно, никто вам ничего не гарантирует

[allright]

Сообщение от Ghost

мне кажется, эти способы калориметрии меряют не совсем то, что нужно. В лучшем случае, выделение тепла, в худшем - просто то число калорий, которое человек съел для совершения работы.
1) Ну, представьте, вкрутить обычную лампочку и утверждать, что ей нужно 100 Вт энергии, чтобы светить с такой-то светимостью. Хотя можно вкрутить энергосберегающую на 20 Вт с такой же светимостью. Понятно, у лампочек конструктивное различие. Но излишнее выделение тепла или потери энергии неизвестно куда, а не на совершение полезной работы - это всё-таки тоже проблема человека. Правда, непонятно: если человек ест в 4 раза больше и выделяет намо больше тепла без совершения работы, тогда и его температура должна быть выше! Пример из техники: к мощным видеокартам приделывают здоровенные радиаторы или вентиляторы, потому что они выделяют слишком мо тепла как побочный продукт "полезной работы" и сами по себе не справляются с его отводом. Если человеку предписано природой потреблять 600 ккал, а он ест 2500, то его теплоотводение должно постоянно работать в напряженном режиме.
2) А при подсчёте съеденных калорий получается вот как. Те же сверхамарафонцы. У подопечных Шаталовой из-за высоких нагрузок потребление калорий возрастало до 1200 ккал, и этой разницы как раз хватает на то, чтобы пробежать, сколько они там пробегали, 30-40 км по пустыне. У "обычных" людей потребление возрастало с 2500 ккал до 5000-6000 ккал. Калориметрия показала бы очень разные результаты, а какие считать верными?
Есть одна книга, где автор пытается "разгромить" вегетарианство, у него почему-то по определению вегетаринство = малоедение = Шаталова, и всю книгу он придирается к цитатам Шаталовой и объясняет возможность малоедения тем, что вегетарианцы просто снижают питание мозга и => с головой у них плохо Ага, 2500 - 600 = 1900 ккал разницы потребляет мозг! Как бы он объяснил, почему тогда для сверхмарафона одним людям нужны дополнительные 600 ккал, а другим - 2500-3500. Опять мозг? Но мозг своё из первоначальных 2500 уже получил, дополнитеьная энергия нужна только для бега.

А от чего так кажется? Медицина вместе с большим спортом за последние десятилетие сумашедшие бюджеты на это потратили и выжали из человека все, что только можно уже. Все биохимческие реакции исследованы под микроскопом и разложены по полочкам. Неблагодарное дело чудеса здесь искать.
Подопечные Шаталовой - обычные байки. Если бы это работало, то уже бы давно использовалось в большом спорте заради рекламных и спонсорских, теп более, что "факт" то известный

[Ghost]

Метод псевдоученых (просто рассуждать, не проверяя ничего экспериментально) практикуют чуть ли не все на форумах У меня хотя бы конкретные цифры.
Да, эксперименты надо ставить и желательно на большой выборке, но надо иметь образование. Проблема в том, что слишком много неизвестных и результаты могут получиться такие, какие мы хотим. Это как со сверхмарафонцами. У одних исследователей "обычные" подопытные, и те могут получить результат, что для интенсивных нагрузок нужно 6000 ккал в день, что они и ожидают. У других исследователей малоеды, и получается результат в 1200 ккал, которые эти тоже ожидают, т.к. продвигают свою теорию. И те, и те правы

Сайт CR мне знаком, но о нём тоже узнал позже своих расчётов.

Если быть точнее, то цель конкретно первого поста - просто показать читателям данные о сопоставимых затратах. Одно дело, когда человек прочитает некое авторитетное заявление: "Диетологи рекомендуют 2500 ккал, но мы показали, что можно прожить и на 600" и подумает: "Ну можно, так можно", и другое дело, когда ему приводятся цифры об объёмах работы с их расчётами (пусть из техники, но есть пример из природы), тогда он может увидеть, что эти объёмы работы действительно весьма велики, и сам уже может делать какие-то сопоставления и выводы.
Я не ставлю цель придумать какую-то новую теорию или изобрести старую, понятно, что об этом думали и раньше. Скорее хочу донести информацию, которую кто-то сочтёт полезной.