Їжа як енергія

Базальний обмін речовин

одиницю маси

Нам потрібен постійний ввід харчової енергії, щоб наші внутрішні органи функціонували і дозволяли нам рухатися - це називається нашим базальним метаболізмом.

Для ссавців Mb ≈ 50 (А/м 2) Вт; для людини площа поверхні A ≈ 1,7 м 2, тобто.

85 Вт для сну

Швидка ходьба або їзда на велосипеді (20 км/год): М

100-150 Вт (2000-3000 ккал/д)

Звідки береться ця енергія?

Більшість енергії, необхідної для сільського господарства, надходить від сонячного світла, так? Неправильно. Велика частина енергії надходить від спалювання нафти.

Корисний енергетичний вміст яловичини та хліба становить близько 2500 ккал/кг або 10 МДж/кг (+/- 30%). Кількість курятини та риби приблизно вдвічі менша, ніж [1] калорії та поживні речовини яловичини, https://www.freedieting.com/calories-in-meat [2019-10-04]. [2] Пітер Рез, Проста фізика використання енергії, Oxford UP 2017.

Загалом для типової західної дієти співвідношення енергії їжі, що втілюється, до дієтичної енергії в їжі $ r $ становить близько 6, тобто на кожен джоуль (або калорію) дієтичної енергії припадає шість джоулів (або калорій) олії. був спалений. Співвідношення для овочів, як правило, вигідніше; що для м'яса (особливо яловичини) набагато гірше. Однак картина складна, як видно з британського дослідження Девіда Колі та співавт. [3] Колі Д., Гудліфф Е. та Макдіармід Д. (1998) Втілена енергія їжі: роль дієти, Енергетична політика, 6, 455–459. [\ Примітка]:

  • Запечена квасоля $ r \ приблизно 10 $
  • Ковбаси $ r \ приблизно 10 $
  • Йогурт $ r \ приблизно $ 9
  • Яловичина $ r \ приблизно $ 8
  • Свинина $ r \ приблизно $ 6
  • Яйця $ r \ приблизно $ 6
  • Макарони $ r \ приблизно $ 4
  • Рис $ r \ приблизно $ 3
  • Молоко $ r \ приблизно $ 3
  • Картопля $ r \ приблизно $ 2
  • Хліб $ r \ приблизно $ 1

Однак зауважте, що ці показники сильно змінюються залежно від обставин.

А як щодо тварин?

Швидкість метаболізму, $ \ Gamma $, для тварин пов'язана з масою тварини за рівнянням 1:

Таке відношення, коли фізична властивість тварини масштабується з масою до деякої потужності, яка не є одиницею, називається алометричним відношенням [4] Ahlborn, Zoological Physics, p.12-16, Springer, 2004. Очевидно, що великий слон, який споживає величезну кількість їжі, матиме більший рівень обміну речовин, ніж миша, яка набагато менш масивна і споживає набагато менше. Однак, враховуючи швидкість метаболізму на одиницю маси цих тварин (рівняння 2):

ми виявляємо, щоб підтримувати себе слону потрібно менше енергії на одиницю маси, ніж миші. Це пояснює, чому, хоча слони їдять більшу кількість їжі в порівнянні з мишами, мишам насправді потрібно їсти більше, ніж їх маса тіла, ніж слонам. Наша мета - зрозуміти, як втрати тепла сприяють тому, що менші тварини мають вищий рівень метаболізму на одиницю маси, ніж більші тварини.

Як уже згадувалося, частина енергії, що виробляється всередині тварини, надходить на тепло, яке випромінюється через поверхню тварини. Швидкість тепловтрат пропорційна площі поверхні, тоді як маса тварини пропорційна її обсягу. Швидкість випромінювання тепла на одиницю маси пропорційна площі поверхні на одиницю об'єму.

Для простоти, якщо взяти тварину сферичною з радіусом, $ r $, тоді можна пов’язати тепловтрати на одиницю маси з розміром (рівняння 3):

Зі збільшенням розмірів тварини швидкість втрат тепла на одиницю маси зменшується, і для підтримки тварини на одиницю маси потрібно менше енергії. Тоді очевидною перевагою може бути велика тварина. Однак великі тварини все-таки споживають більше енергії в цілому, ніж дрібні тварини, так що їм потрібно більше їжі. Якщо їжі недостатньо, більші тварини не можуть утримувати себе [5] Альборн, Зоологічна фізика, с.12-16, Springer, 2004 .

На закінчення видно, що більші тварини мають менші втрати тепла на одиницю маси і потребують менше їжі на одиницю маси, хоча вони їдять більшу кількість, ніж менші тварини.

Як довго я повинен їздити на велосипеді, щоб спалити пампушку? Цей приклад розглядає взаємозв'язок між фізичними вправами та споживанням калорій.

У журнальних статтях та в Інтернеті ви часто зустрічаєте цифри, що стосуються фізичних вправ та споживання калорій. У цьому прикладі ми дослідимо, звідки беруться цифри.