Эволюция в цифрах. РасСЧЁТ энергозатрат. Подсчет затрачиваемой энергии.

Автор slon, мая 08, 2015, 00:11:28

« назад - далее »

slon

http://itc.ua/blogs/prostoy-mehanicheskiy-ekzoskelet-delaet-hodbu-bolee-effektivnoy/

Для иллюстрации.
В статье есть термин энергозатраты.
Я понимаю этот термин так  - совершенная работа во время определенного процесса.
Измеряется в Джоулях, в системе СИ.

Работа - она же затраченная энергия во время определенного процесса.

Таким образом, энергозатраты на процесс это количество затраченных Джоулей (количество затраченной энергии).

Просьба.
Проверить правильно ли я понимаю.
Уточнить или изменить формулировки.
Предложить другие термины если в этом есть необходимость (обосновать необходимость).

Для чего все это нужно.
В соседней теме речь шла об алгоритмах, в том числе и об алгоритмах работы мозга.
Коль скоро речь о работе, то имеет смысл эту работу попытаться выразить в цифрах.

Просьба ко всем участникам форума.
Пожалуйста, поделитесь знаниями о раССчете (или о раСчете, мне не удалось выяснить как правильно сегодня писать согласно бурно и стремительно изменяющимся правилам русского языка) процессов происходящих в тех областях которыми занимается биология, биохимия, биофизика и т.д. ).

Приоритеты.
Методы рассчета энергозатрат при ходьбе, беге, вилянии хвостом, улыбке, распускании хвоста как у павлина.
Методы рассчета энергозатрат мозга при решении задачи - "умножение два на два", "умножение три с половиной на два", " умножение 7,48745545 на два", "умножение стоимости квартиры на два", " умножение прибыли компании на два" и т.д.
Методы рассчета энергозатрат мозга в покое, когда мозг не решает задачу умножения на два.
Методы рассчета энерозатрат мозга когда мозг решает задачу умножения на три, деления на три, в частности - деления поллитровки на три по стаканАм.

В общем, все что известно о рассчетах энергозатрат просьба в этой теме выкладывать.
Заранее благодарю за помощь.




Ivan(novice)

Первым впечатлением от статьи про экзоскелет было непонимание смысла - снижение затрат на ходьбу на 7% - ни о чем. Усталость от ходьбы эффективнее уменьшать тренировкой. Тем более для военных. Тренированный человек пройдет вдвое больше, устав так же, как нетренированный. На усталость при прочих равных будет больше влиять эмоциональный настрой человека, чем такой экзоскелет. Предполагаю, что 7% - в пределах погрешности измерения.

Вторым впечатлением стал вопрос об обратном действии экзоскелета на организм. Если человек привыкнет использовать экзоскелет, не нанесет ли эта привычка ущерба ходьбе человека без экзоскелета (ослабление мышц, связок, изменение равновесия при ходьбе и т.д.)?

То есть с точки зрения расчета затрат энергии вопросов нет. Человек съел один бутерброд, и с экзоскелетом прошел 15 км против 14 км без экзоскелета. Точно так же, как съев один бутерброд, человек на велосипеде проедет 28 км против 14 км без велосипеда.

Но с точки зрения эффективности экономия экзоскелета вообще под вопросом. Необходимо учитывать негативный эффект от использования экзокелета, который может перекрыть мизерную экономию в 7%.


slon

Полностью с Вами согласен, и с Буратино согласен, когда на предложение Мальвины решить задачу по арифметике "у тебя есть три яблока, одно ты отдал Пьеро, сколько осталось?" он отвечал "а я ему не дам яблоко".
Отдавать кому-то яблоко еще глупее нежели носить этот экзоскелет.

Если серьезно, то нас интересуют принципы решения задач и метода рассчетов. А уж кто и зачем их выполняет дело десятое.

Для начала неплохо бы выяснить цифры энергозатрат на различные действия исполнительных механизмов и энергозатрат на работу мозга.
Выяснить методику получения этих цифр. 
Возможно, это натолкнет на мысль в каком направлении копать дальше.


Ivan(novice)

Цитата: slon от мая 11, 2015, 10:18:29
Для начала неплохо бы выяснить цифры энергозатрат на различные действия исполнительных механизмов и энергозатрат на работу мозга.
Выяснить методику получения этих цифр.
У меня на начало этой темы есть дилетантская уверенность в том, что очень затруднительно рассчитать:
- сколько энергии человек получит от съеденного бутерброда (больше ему энергию получать неоткуда, солнцем он не питается);
- какая часть этой энергии будет затрачена на работу исполнительных механизмов, а какая - на работу мозга;
- как энергия, затраченная на работу мозга, будет распределена между НИИ и диспетчером.

А в остальном, прекрасная маркиза, все хорошо.

slon

http://www.rbcdaily.ru/autonews/562949979007835

Посмотрите здесь, есть кое-что по теме.

Выпишу несколько тезисов которые могут приподнять нашу мотивацию в поиске.

1. При интенсивной работе мозг потребляет больше глюкозы

2. Мозг человека даже в состоянии относительного покоя и сна потребляет необычайно много энергии — в 16 раз больше, чем мышечная ткань (в пересчете на единицу массы). «Мозг, имея массу не более 1,5—2% от массы тела, потребляет 25% всей энергии.

3, одной из самых энергозатратных операций является концентрация внимания.

4, Человек не в состоянии удержать внимание на неизменно высоком уровне более 20—25 минут, потому что за это время мозг «съест» столько глюкозы, сколько не съел бы и за день относительного покоя. Так что задания на внимание и реакцию, да еще и в ситуации цейтнота, способны выжать всю энергию,

5, Снижается же потребность в энергии лишь во время сна, т.к. возрастает синхронизация левого и правого полушарий и мозгу не приходится тратить энергию на «согласование» их работы.

6, 20—25% во время напряженного интеллектуального труда, что значительно больше, чем у других приматов (8—10%), не говоря уже о прочих млекопитающих (3—5%). Так, только на поддержание необходимых жизненных функций, передачу нервных сигналов и воспроизведение элементарных операций мозг человека в среднем нуждается примерно в 400—500 ккал.

7, Больше всего энергии потребляет тот участок мозга, который сильнее всего напрягается. Поэтому при решении многосоставных тестов и головоломок, где поочередно задействованы все типы мышления, потребление энергии резко возрастает

8, Больше калорий придется потратить и на непривычные задания. Так, если заставить гуманитария решать задачку по геометрии, энергозатраты его мозга сильно возрастут.

В общем и целом все соответствует нашей модели. Восьмой тезис иллюстрирует работу НИИ, у гуманитария нет в библиотеке нужных алгоритмов, приходится напрягать НИИ.

Предлагаю продолжить поиски. Какие-то цифры мелькают в популярных статьях, но хотелось бы более серьезные данные иметь.

slon

http://arkaim.info/science/item/1061-energopotreblenie-mozga.html?tmpl=component&print=1

Еще одна ссылка, данные кочуют из одной статьи в другую, в связи с этим возникают смешные моменты, типа, учет потребления энергии костями.
Но дело не в этом, мы не первые кто стремимся обратиться к цифрам. Видимо, магия цифр завораживает.
И всегда приятно напоминание, что ты круче мобилы.

Да, мы круче мобилы, мы больше энергии потребляем, мы даже орем громче нежели мобила и не боимся окунуться в воду, у нас после этого работоспособность сохраняется.
И ударопрочность у нас выше.
И мы дольше чем мобила можем обходиться без подзарядки.
И мы эффективнее используем энергию.

Но самое основное наше отличие - мы умеем запоминать алгоритмы которые приводили нас к успешному решению задачи, и умеем запоминать алгоритмы которые приводили нас к фиаско.
А также умеем создавать новые алгоритмы.

Как и почему мы это умеем пока не очень понятно, хотелось бы разобраться.

Ivan(novice)

Цитата: slon от мая 11, 2015, 13:13:53
Предлагаю продолжить поиски. Какие-то цифры мелькают в популярных статьях, но хотелось бы более серьезные данные иметь.
Мне тоже бы хотелось иметь более серьезные данные. Особенно относительно методики расчета.
У меня нет абсолютно никакого доверия к приводимым цифрам до тех пор, пока не будет методики, по которой можно перепроверить эти расчеты.
Также поищу еще...

slon

ЦитироватьМне тоже бы хотелось иметь более серьезные данные. Особенно относительно методики расчета.
У меня нет абсолютно никакого доверия к приводимым цифрам до тех пор, пока не будет методики, по которой можно перепроверить эти расчеты.

Я Вас понимаю.
Алгоритм уже не нов и обкатан.
Помнится, я предлагал рисовать схемы, в итоге мне их пришлось рисовать самому.
Таким образом я стал художником, монументалистом, имперссионистом и бог весть еще кем, и за моими  полотна выстроилась очередь из музеев.

Теперь, у меня есть возможность отличиться и стать гуру в подсчете энергий. И снова выстроится  очередь, меня станут разрывать на части и разыскивать дабы взять интервью и вручить орден, или два, а может быть еще и денежную премию.

Опыт показывает, мне не удается никого заставить работать,  я это не умею.
Мне все равно приходится работать самому.
Максимум, в виде утешительного приза - мне счастливится заарканить одного юзера который подыгрывает мне в моих изысканиях (ничего личного, меньше всего мне хотелось бы Вас обидеть).

Что в таких условиях я должен думать? Или что я могу думать?

Вывод неутешителен. Я не туда попал, не туда забрел. Это не тот ресурс который интересуется этой проблемой. Зачем я занимаю время уважаемых форумчан и испытываю терпение админов.
Не будет ли выходом честно поблагодарить всех за долготерпение и откланяться.

Прошу великодушно простить меня, но без того, чтобы форумчане высказали свое мнение - интересна ли им эта тема и готовы ли они принимать в ней участие, я не готов продолжать.

Никаких обид быть не может. В конце концов это форум по палеонтологии, антропогенезу и т.д. Здесь серьезные люди обсуждают серьезные проблемы.  И абсолютно глупо в этих рамках обсуждать кто и когда попИсал. Еще и рисовать на эту тему схемки.

Это даже неприлично, где это видано, чтобы палеонтологи, или их находки, антропогенезиологи или их предметы изыскания пИсали.  Это нонсенс. Приличные люди не писают.


 

Ivan(novice)

Цитата: slon от мая 12, 2015, 04:01:51
Помнится, я предлагал рисовать схемы, в итоге мне их пришлось рисовать самому.
Таким образом я стал художником, монументалистом, имперссионистом и бог весть еще кем, и за моими  полотна выстроилась очередь из музеев.
Теперь, у меня есть возможность отличиться и стать гуру в подсчете энергий.
Вам пришла идея рисовать схемы. Вам пришла идея подсчитывать энергии. Для чего это нужно? Просвещать кого-то? Если кому-то будет интересно, он сам задаст вопрос.
Мне идея ясна без схем, рисунков и подсчета.

Цитата: slon от мая 12, 2015, 04:01:51
Опыт показывает, мне не удается никого заставить работать,  я это не умею.
А зачем кого-то заставлять? Каждый здесь делает то, что ему интересно. Для этого (в том числе) и собираются люди на форуме.

Цитата: slon от мая 12, 2015, 04:01:51
Что в таких условиях я должен думать? Или что я могу думать?
Смотря что Вы хотите. Если хотите кого-то заставить работать, то можно продолжать экспериментировать дальше. Если Вам интересно довести модель до возможности ее практического применения, нужно продолжать двигаться в том же направлении, что мы двигаемся сейчас.

Цитата: slon от мая 12, 2015, 04:01:51
Вывод неутешителен. Я не туда попал, не туда забрел. Это не тот ресурс который интересуется этой проблемой.
Если Вы найдете ресурс, который интересуется этой проблемой, сообщите, пожалуйста.


Немного про потребление энергии.
Учебник 9 класса  http://lib.sernam.ru/book_phis_9_fac.php?id=23 сообщает нам, что суточное потребление человеком энергии из пищи лежит в пределах 10^7  - 2*10^7  Дж. Переводим в калории (1Дж = 0,24 кал). Получаем 2400 - 4800 ккал. При тяжелой физической работе потребление может возрастать до 500*10^6  Дж, что составляет 120 000 ккал. Т.е. разброс в потреблении энергии будет в 50 раз.
Из статьи http://www.rbcdaily.ru/autonews/562949979007835 «Так, только на поддержание необходимых жизненных функций, передачу нервных сигналов и воспроизведение элементарных операций мозг человека в среднем нуждается примерно в 400—500 ккал. Между тем, по самым скромным оценкам, энергетические затраты мозга в активном состоянии возрастают более чем в два раза.»
Сравните в  50 раз и в 2 раза (пускай даже в 4 раза). Даже самый образцовый мозг-НИИ потребляет ничтожную долю общего энергопотребления организма при интенсивной нагрузке:  (500 ккал*4) / 120 000 ккал * 100 = 1,7%.
Самый активно работающий мозг потребляет не более 1,7% от максимального потребления энергии организмом. Это говорит о том, что организм вполне в состоянии обеспечить мозг энергией для ежедневной работы в интенсивном режиме.
Такое соотношение ставит под сомнение распространенное мнение о том, что интенсивная работа  мозга является чем-то запредельно трудным и неподъемным для организма.

Статью из http://arkaim.info/science/item/1061-energopotreblenie-mozga.html?tmpl=component&print=1  комментировать не могу, т.к. это сайт института исследований паранормальных явлений. А паранормальные явления находятся за пределами моих познаний.

ArefievPV

Цитата: Ivan(novice) от мая 12, 2015, 09:33:17
Немного про потребление энергии.
Учебник 9 класса  http://lib.sernam.ru/book_phis_9_fac.php?id=23 сообщает нам, что суточное потребление человеком энергии из пищи лежит в пределах 10^7  - 2*10^7  Дж. Переводим в калории (1Дж = 0,24 кал). Получаем 2400 - 4800 ккал. При тяжелой физической работе потребление может возрастать до 500*10^6  Дж, что составляет 120 000 ккал. Т.е. разброс в потреблении энергии будет в 50 раз.
Вы запутались. Человек не тратит столько (120 00 ккал в сутки)  на тяжёлый физический труд. Максимум около 7000 ккал в сутки – косцы ручной косой (если память не изменяет).
В приведённом расчёте (в учебнике) совсем другое подразумевалось. Потребляет 120 000 ккал не в виде пищи внутрь (на поддержание жизнедеятельности), а для различных хозбытовых нужд (таково потребление энергии на одного человека). Полагаю, в современной Саудовской Аравии потребление энергии на душу населения намного выше этих 120 00 ккал в сутки.

Cow

С цифрами некоторый перебор: 120 000 ккал - это порядка 500 000 кдж или киловатт\секунд. В сутки - разделить на 86 400 сек, средняя мощность получается около 6 киловатт. Перебор  в 2 десятичных порядка ориентировочно.  8)

Ivan(novice)

Цитата: ArefievPV от мая 12, 2015, 18:16:03
Цитата: Ivan(novice) от мая 12, 2015, 09:33:17
Немного про потребление энергии.
Учебник 9 класса  http://lib.sernam.ru/book_phis_9_fac.php?id=23 сообщает нам, что суточное потребление человеком энергии из пищи лежит в пределах 10^7  - 2*10^7  Дж. Переводим в калории (1Дж = 0,24 кал). Получаем 2400 - 4800 ккал. При тяжелой физической работе потребление может возрастать до 500*10^6  Дж, что составляет 120 000 ккал. Т.е. разброс в потреблении энергии будет в 50 раз.
Вы запутались. Человек не тратит столько (120 00 ккал в сутки)  на тяжёлый физический труд. Максимум около 7000 ккал в сутки – косцы ручной косой (если память не изменяет).
В приведённом расчёте (в учебнике) совсем другое подразумевалось. Потребляет 120 000 ккал не в виде пищи внутрь (на поддержание жизнедеятельности), а для различных хозбытовых нужд (таково потребление энергии на одного человека). Полагаю, в современной Саудовской Аравии потребление энергии на душу населения намного выше этих 120 00 ккал в сутки.
Спасибо. Точно. Запутался.
120 000 ккал - общее потребление человеком, в том числе на обогрев и т.д.
Все-таки максимум 7000 ккал в сутки. Тогда уточняю предыдущий расчет:
(500 ккал*4) / 7 000 ккал * 100 = 28%, если активный мозг потребляет в 4 раза больше энергии.
Если активный мозг потребляет в 2 раза больше энергии, то получаем:
(500 ккал*2) / 7 000 ккал * 100 = 14%

Нормально. Но не запредельно. Вполне посильно для организма - содержать активный мозг. Была бы доступна энергия.

Ivan(novice)

Цитата: Cow от мая 12, 2015, 23:24:26
С цифрами некоторый перебор: 120 000 ккал - это порядка 500 000 кдж или киловатт\секунд. В сутки - разделить на 86 400 сек, средняя мощность получается около 6 киловатт. Перебор  в 2 десятичных порядка ориентировочно.  8)
Да, перебор. Ув. ArefievPV меня поправил.

Tiktaalik

Цитата: Ivan(novice) от мая 12, 2015, 09:33:17
Так, только на поддержание необходимых жизненных функций, передачу нервных сигналов и воспроизведение элементарных операций мозг человека в среднем нуждается примерно в 400—500 ккал.
Сомнительно. В серьезной литературе (где разбор вплоть до всех потребляемых питательных веществ) попадаются гораздо меньшие значения. Вот например, средний мозг (1.4 кг) потребляет 338 ккал в день. http://www.fao.org/3/contents/3079f916-ceb8-591d-90da-02738d5b0739/M2845E00.HTM

Цитата: Ivan(novice) от мая 13, 2015, 02:19:07
если активный мозг потребляет в 4 раза больше энергии.
Если активный мозг потребляет в 2 раза больше энергии, то получаем:
Еще более сомнительно. В серьезной литературе говорится что при самой интенсивной умственной деятельности непосредственно мозг потребляет примерно столько же энергии сколько и во сне, а увеличение энергопотребления происходит не за счет мозга, а за счет рефлекторного усиления мышечного тонуса:

"1) При умственной работе интенсивность обмена веществ также увеличивается, хотя вряд ли это обусловлено потребностями мозга. Во время умственной работы сосредоточение на каком-либо предмете обеспечивается просто за счет перемещения активности из одной области в другую; даже в период сна в ткани мозга не происходит заметных изменений интенсивности метаболических процессов. Причиной увеличения обмена веществ в период умственной работы служит рефлекторное увеличение мышечного тонуса (рис. 24.2)."

Отсюда: Human Physiology / edited by R. F. Schmidt and G. Thews : Second (23-th), Completely Revised Edition : Translated by Marguerite A. Biederman-Thorson. Springer-Verlag. Berlin. Heidelberg. NewWork. 1989.
Физиология человека. В 3-х томах. Т. 3. Пер. с англ./ под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса.-М.: Мир, 1996. -198 с.

Ivan(novice)

Цитата: Tiktaalik от мая 13, 2015, 04:03:41
Сомнительно. В серьезной литературе (где разбор вплоть до всех потребляемых питательных веществ) попадаются гораздо меньшие значения. Вот например, средний мозг (1.4 кг) потребляет 338 ккал в день. http://www.fao.org/3/contents/3079f916-ceb8-591d-90da-02738d5b0739/M2845E00.HTM
...
Еще более сомнительно. В серьезной литературе говорится что при самой интенсивной умственной деятельности непосредственно мозг потребляет примерно столько же энергии сколько и во сне, а увеличение энергопотребления происходит не за счет мозга, а за счет рефлекторного усиления мышечного тонуса:
Отсюда: Human Physiology / edited by R. F. Schmidt and G. Thews : Second (23-th), Completely Revised Edition : Translated by Marguerite A. Biederman-Thorson. Springer-Verlag. Berlin. Heidelberg. NewWork. 1989
Физиология человека. В 3-х томах. Т. 3. Пер. с англ./ под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса.-М.: Мир, 1996. -198 с.
Спасибо большое за ссылки, очень интересно.
"Физиология человека. В 3-х томах" нашел в Интернете, почитаю.

На текущий момент с учетом вышеизложенного получается следующее:
Максимум потребления энергии человеком - 7000 ккал в сутки. Мозг 1.4 кг потребляет 340 ккал в сутки (округленно). Получаем:
340 ккал / 7 000 ккал * 100 = 4,9%

4,9% энергии потребляет мозг от максимально возможного потребления энергии человеком. Не самый какой затратный орган.
Согласно тому же источнику http://www.fao.org/3/contents/3079f916-ceb8-591d-90da-02738d5b0739/M2845E00.HTM
печень потребляет больше,  482 ккал.
По тому же расчету это составит 6,9% энергии от максимально возможного потребления энергии человеком.

Да, век живи, век учись. Для меня новость, что печень потребляет энергии больше мозга.