Рациональное питание с точки зрения закона сохранения энергии

Затем под действием сил упругости  деформированной плиты шарик  приобретает скорость, направленную вверх: энергия упругой деформации плиты и шарика прекращается в, кинетическую энергию шарика. При дальнейшем движении вверх скорость шарика под действием силы тяжести уменьшается, и кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию тяготения, В наивысшей точке шарик обладает снова только потенциальной энергией тяготения.

Поскольку можно считать, что шарик  поднялся на ту же высоту, с которой  он начал падать, потенциальная энергия шарика в начале и в конце описанного процесса одна и та же. Более того, в любой момент времени при всех превращениях энергии сумма потенциальной энергии тяготения, потенциальной энергии упругой деформации, и кинетической энергии все время остается одной и той же. Для процесса превращения потенциальной энергии, обусловленной силой тяжести, в кинетическую энергию и обратно при падении и подъеме шарика это было показано простым расчетом. Можно убедиться, что и при превращении кинетической энергии в потенциальную энергию упругой деформации плиты и шарика и затем при обратном процессе превращения этой энергии в кинетическую энергию отскакивающего шарика сумма потенциальной энергии тяготения, энергии упругой деформации и кинетической энергии также остается неизменной, то есть закон сохранения механической энергии выполнен.

Закон сохранение полной механической энергии  в процессах с участием сил  упругости и гравитационных сил  является одним из основных законов  механики. Знание этого закона упрощает решение многих задач, имеющих большое значение в практической жизни.

Так, например, для получения электроэнергии широко используется энергия рек. С  этой целью строят плотины, перегораживающие реки. Под действием силы тяжести  вода из водохранилища за плотиной движется вниз по колодцу ускоренно и приобретает некоторую кинетическую энергию. При столкновении быстро движущегося потока воды с лопастями гидравлической турбины происходит преобразование кинетической энергии поступательного движения воды в кинетическую энергию вращения ротора турбины, а затем с помощью электрического генератора в электрическую энергию.

Для расчетов производства электроэнергии гидроэлектростанцией прежде необходимо уметь определять кинетическую энергию  потока воды, направляющегося на лопасти турбины. Так как не падает на лопасти турбины вертикально сверху вниз, а движется по колодцам сложной формы, то расчеты изменения скорости воды на каждом участке ее движения с учетом действия сил тяжести и сил упругости были бы очень сложными. Однако в таких расчетах нет необходимости. Так как на воду действует только силы тяжести и силы упругости, изменения ее кинетической энергии ∆Е_к при любой траектории движения равно изменению ее потенциальной энергии ∆Е_р, взятому с противоположным знаком:

∆Е_к = - ∆Е_р

Изменении потенциальной энергии воды массой m при уменьшение ее высоты над поверхностью Земли на h определяется соотношением ∆Е_р = - mgh.

Силы  упругости при движении воды в  колодцах работы не совершают, так как  их направление в любой точке  перпендикулярно вектору перемещения. Поэтому изменение кинетической энергии ∆Е_к воды равно изменению ее потенциальной энергии поле силы тяжести:

∆Е_к = - ∆Е_р = mgh.

Можно и объяснить, почему нарушается закон сохранения работы в простой машине, которая деформируется при передаче работы. Дело в том, что работа, затраченная на одном конце машины, частично или полностью затрачивалась на деформацию другой ее части, например, рычага, веревки, создавая в ней некоторую потенциальную энергию деформации, и лишь остаток работы передавался на другой конец машины. В сумме же переданная работа вместе с энергией деформации оказывается равной затраченной работе. В случае абсолютной жесткости рычага, машина не может накопить в себе энергию, и вся работа, произведенная на одном ее конце, полностью передается на другой конец.

В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости  и другими консервативными силами действуют силы трения или силы сопротивления  среды⁵. Сила трения не является консервативной. Работа силы трения зависит от длины пути. Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел - нагревание.

4.2. Силы трения и закон сохранения энергии.

Рассматривая движение шарика, подпрыгивающего на плите, можно обнаружить, что после каждого удара шарик поднимается на несколько меньшую высоту, чем раньше, то есть полная энергия не остается в точности постоянной, а понемногу убывает. Это значит, что закон сохранения энергии в таком виде, как мы его сформулировали, выполняется в этом случае только приближённо. Причина заключается в том, что в этом опыте возникают силы трения; сопротивление воздуха, в котором движется шарик, и внутреннее трение в самом материале шарика и плиты.

При наличии сил трения, выполнение закона сохранения механической энергии всегда нарушается и полная энергия тел уменьшается. За счет этой убыли энергии и совершается работа против, сил трения. Например, при падении тела с большой высоты скорость, вследствие действия возрастающих сил сопротивления среды, вскоре становится постоянной; кинетическая энергия тела перестает меняться, но его потенциальная энергия уменьшается. Работу против силы сопротивления воздуха совершает сила тяжести за счет потенциальной, энергии тела. Хотя при этом и сообщается некоторая кинетическая энергия окружающему воздуху, но она меньше, чем убыль потенциальной энергии тела, и, значит, суммарная механическая энергия убывает.

Работа  против сил трения может совершаться и за счет кинетической энергии. Например, при движении лодки, которую оттолкнули от берега пруда, потенциальная энергия лодки остается постоянной, но вследствие сопротивления воды уменьшается скорость движения лодки, то есть ее кинетическая энергия.

Подобно этому действуют и силы трения между твердыми телами. Например, скорость, которую приобретает груз, соскальзывающий с наклонной плоскости, а, следовательно, и его кинетическая энергия, меньше той, которую он приобрел бы в отсутствии сил трения. Можно так подобрать угол наклона плоскости, что груз будет скользить равномерно. При этом его потенциальная энергия будет убывать, а кинетическая - оставаться постоянной, и работа против сил трения будет совершаться за счет потенциальной энергии.

В природе все движения, за исключением движений в вакууме, например, движений небесных тел, сопровождаются трением. Поэтому при всех движениях тел, выполнение закона сохранения механической энергии нарушается, и это нарушение происходит всегда в одну сторону — в сторону уменьшения полной энергии.

При любых физических взаимодействиях  энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы  в другую. Этот экспериментально установленный  факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии. Одним из следствий закона сохранения и превращения энергии является утверждение о невозможности создания «вечного двигателя» – машины, которая могла бы неопределенно долго совершать работу, не расходуя при этом энергии. История хранит немалое число проектов «вечного двигателя». В некоторых из них ошибки «изобретателя» очевидны, в других эти ошибки замаскированы сложной конструкцией прибора, и бывает очень непросто понять, почему эта машина не будет работать. Бесплодные попытки создания «вечного двигателя» продолжаются и в наше время. Все эти попытки обречены на неудачу, так как закон сохранения и превращения энергии «запрещает» получение работы без затраты энергии.

4.3. Всеобщий характер закона сохранения энергии

Силы трения занимают особое положение в вопросе о законе ее хранения механической энергии. Если сил трения нет, то закон сохранения механической энергии соблюдается: полная механическая энергия системы остается постоянной. Если же действуют силы трения, то энергия уже не остается постоянной, а убывает при движении. Но при этом всегда растет внутренняя энергия. С развитием физики обнаруживались все новые виды энергии: была обнаружена световая энергия, энергия электромагнитных волн, химическая энергия, проявляющаяся при химических реакциях (в качестве примера, достаточно указать хотя бы на химическую энергию, запасенную во взрывчатых веществах и превращающуюся в механическую и тепловую энергию при взрыве), наконец была открыта ядерная энергия. Оказалось, что совершаемая над телом работа равна приращению суммы всех видов энергии тела; работа же, совершаемая некоторым телом над другими телами, равна убыли суммарной энергии данного тела. Для всех видов энергии оказалось, что возможен переход энергии из одного вида в другой, переход энергии от одного тела к другому, но что при всех таких перехода; общая энергия всех видов остаемся все время строго постоянной. В этом заключается всеобщность закона сохранения энергии⁶.

Хотя общее количество энергии  остается постоянным количество полезной для нас энергии может уменьшаться и в действительности постоянно уменьшается. Переход энергии в другую форму может означать переход ее в бесполезную для нас форму. В механике чаще всего это - нагревание окружающей среды, трущихся поверхностей и т п. Такие потери не только невыгодны, но и вредно отзываются на самих механизмах; так, во избежание перегревания приходится специально охлаждать трущиеся части механизмов.

Глава 5. Основные принципы рациональное питание

Рациональное питание - правильное питание, то есть такой способ питания, при котором итогом этого процесса является укрепление и улучшение  здоровья, физических и духовных сил  человека, предупреждение  различных  заболеваний, замедление процессов старения, одним словом, это здоровое питание. Правильное питание всегда является сбалансированным.

В XIX веке была разработана концепция  сбалансированного питания, которая  опиралась на исследования Г.Гельмгольца  и Р. Майера, сформулировавших закон сохранения энергии в живом организме. Большую роль в развитии современных представлений о сбалансированном питании сыграли работы академика А. Покровского. Исключительной важности познания законов усвоения пищи очень четко выразил великий русский физиолог И. П. Павлов: «Пища, которая попадает в организм и здесь изменяется, распадается, вступает в новые комбинации и вновь распадается, олицетворяет собою жизненный процесс во всем его объеме вплоть до высочайших проявлений человеческой натуры. Точное знание судьбы пищи в организме должно составить предмет идеальной физиологии будущего».

Сбалансированное питание предусматривает  наличие в пище необходимых, не синтезируемых  в организме веществ, причем, крайне важно соблюдение соотношения компонентов  пищи в рационе. Концепция сбалансированного питания учитывает особенности взаимодействия составных частей пищи. Например: высокое содержание в пище углеводов повышает потребность в витамине В1, повышение количества белка в рационе увеличивает потребность в витамине В6. Итак, под сбалансированным питанием подразумевается оптимальное по количеству и качеству введение в организм компонентов пищи, в соответствии с его потребностями. Сбалансированное питание является одним из принципов учения о рациональном питании. Рациональное питание - это по существу соблюдение трех основных принципов питания:

1. Равновесие между энергией, поставляющей пищей, и энергией, которую человек тратит на поддержание жизнедеятельности;
2. Удовлетворение потребностей организма в определенном количестве и соотношении пищевых веществ (таблица 1);
3. Соблюдение режима питания, то есть определенное время приема пищи и определенное количество пищи при каждом приеме.

Вся необходимая человеку энергия  поступает из пищи. Так как закон  сохранения энергии является абсолютным, он выполняется и в живом организме, в том числе и в клетках человеческого тела. Поэтому, рациональное питание подразумевает баланс поступающей энергии в соответствии с расходом ее на обеспечение нормальной жизнедеятельности. То есть количество освобождаемой из пищи энергии должно равняться затраченной организмом. При недостатке поступления энергии с пищей человек теряет вес, при избытке – набирает его. Установлено, что имеется три пути затрат энергии в организме:

1. основной обмен;
2. специфическое динамическое действие пищи;
3. мышечная деятельность.

Основной обмен - это минимальное  количество энергии необходимое  для поддержания жизни в состоянии  полного покоя. В среднем оно  составляет для мужчин - 1600 килокалорий, для женщин - 1400. Основной обмен зависит от возраста, пола, массы тела, внешних условий проживания и индивидуальных особенностей организма.

Специфическое динамическое действие пищи состоит в том, что на переваривание  пищи, даже в отсутствии мышечной активности, также расходуется энергия. При этом наибольший расход вызывает переваривание белков.

Физическая, то есть мышечная деятельность весьма существенно влияет на энергетические затраты. Энергетические затраты находятся в прямой зависимости от характера работы. Наибольшие затраты энергии наблюдается у лиц занимающихся тяжелым физическим трудом, минимальная у людей умственного труда (таблица 2). Следовательно, это необходимо учитывать при компенсации расходуемой энергии. Для нормальной жизнедеятельности человека необходимо определенное содержание в пище белков, жиров и углеводов. В рационе здорового человека оптимальным является соотношение белков, жиров и углеводов 1:1; 2:4.

Не менее важным является поступление  с пищей достаточного количества витаминов и минеральных веществ макро и микроэлементов. Желательно при этом, чтобы в рационе присутствовали все их наиболее важные представители, так как зачастую они оказываются взаимозависимыми, то есть эффективность воздействия на организм и усвоение с пищей одних витаминов и минералов может зависеть от количественного содержания других.

Основным строительным материалом для организма служат белки или протеины. Именно из белков в основном построены клетки. Белки состоят из аминокислот, аналогично тому, как слова состоят из букв. Аминокислоты, синтезирующиеся в организме, называются заменимыми. Аминокислоты, которые не синтезируются в организме, называются незаменимыми. Белки, содержащие весь набор незаменимых аминокислот, являются биологически полноценными. Они содержатся в животной пище и в некоторых пищевых растениях – в сое, горохе, фасоли. С пищей обязательно должны поступать незаменимые аминокислоты, так как недостаток хотя бы одной из них со временем приводит к гибели организма. Суточная потребность в белке зависит от пола, возраста, образа жизни человека. При сокращении поступления белка в организм либо при увеличении его расходования в организме либо при сокращении его поступления с пищей возникает белковая недостаточность. Дефицит белка уменьшает устойчивость организма к инфекциям, т.к. снижается уровень образования защитных антител, которые являются белками. Недостаток белка приводит к нарушениям функции всех органов и систем организма. Однако и избыток белка в пище также неблагоприятно влияет на организм, так как при этом возрастает нагрузка на такие жизненно важные органы, как печень, почки, желудок и кишечник, что также приводит к возникновению различных заболеваний⁷.