¿Por qué correr gasta más energía que caminar?

Question

El estudio gasto energético de caminar y correr concluye que correr gasta más energía que caminar.

Para mí, aunque correr hace que uno se sienta más cansado, eso solo indica que la potencia fue mayor (ya que el tiempo de desplazamiento fue más corto), pero al final del día la energía total dispensada para moverse hacia adelante por fricción debería ser la misma.

Dado que el estudio muestra lo contrario, ¿cuál podría ser el error en mi razonamiento?

Answer 1

La razón básica es que un objeto ideal hace trabajo en el sentido de la física, pero una entidad biológica tiene tantas, muchas formas en las que no se comporta como un objeto ideal.

Se puede estimar y calcular, pero otras respuestas intentan eso. Solo voy a intentar resumir algunas de estos comportamientos grandes y no ideales.

• Correr implica movimientos más variados, es una zancada muy diferente. Definitivamente no es solo el mismo movimiento que caminar pero más rápido. Algunos de esos movimientos son verticales, o están relacionados con saltar, algunos tienen componentes de absorción de impactos y se relacionan con aterrizar. Gran parte de esa energía adicional se disipa en ambas direcciones: usamos energía tanto para saltar como para amortiguar y detenernos al aterrizar. También aceleramos nuestros pies para que coincidan con nuestra velocidad en el suelo y debemos frenarlos a cero en cada zancada, luego acelerarlos y levantarlos en la otra dirección, no solo confiar en la gravedad y la actividad pendular. El hecho de que esto ocurra en la extensión y no en el impacto en el suelo no cambia nada. Una vez más, se pierde energía en ambas direcciones. También voy a suponer que es más difícil ser eficiente en un rango de movimientos más amplio en comparación con uno más estrecho, por lo tanto, el rango más amplio de movimientos y sistemas utilizados en correr significa que es mucho más probable que la eficiencia varíe considerablemente según el subsistema biológico o el tipo de movimiento.
• La gestión/ metabolismo de la energía de los músculos grandes humanos no es eficiente y no se comporta como un objeto ideal. Tenemos múltiples vías de energía y cambiamos entre ellas según la necesidad. Esto sucede menos con caminar, más con ejercicio vigoroso como correr. El ciclo de energía "de emergencia" o de "actividad sostenida" al que nuestros cuerpos cambian, cuando corremos, es menos eficiente; si fuera más eficiente, probablemente habría evolucionado como nuestro principal y no como nuestro último recurso. Y por supuesto muchas reacciones bioquímicas y respuestas corporales simplemente no son lineales; también pueden tener tasas o duraciones mínimas/máximas.
• Podrían activarse otros sistemas como resultado, que no se activan, o no se activan de la misma manera, cuando solo se camina. Por ejemplo, podría haber cambios en el flujo sanguíneo cerebral, la presión arterial y el uso de energía puramente debido a la mayor tasa metabólica. Podríamos tener que activar sistemas de dispersión de calor al correr pero no al caminar (¿sudoración?), cambiar la producción/absorción de algunos neurotransmisores (¿estimulantes? u otros que afectan los niveles de actividad de otros sistemas corporales y el uso de energía como resultado), o cambiar el tono de nuestro sistema sanguíneo (contraído o relajado para controlar el flujo de manera diferente). Podríamos desactivar sistemas enteros, la digestión, la actividad intestinal. La tasa de producción de productos de descomposición metabólica (¿ácido láctico?) es mayor y tal vez necesita actividad adicional para intentar lidiar con ella. Se debe canalizar más agua para contener todos estos metabolitos y productos adicionales en solución en el torrente sanguíneo, o para reemplazar otro agua perdido o usado. Si se necesitan otros productos para las vías activadas (sin idea... ¿enzimas, por ejemplo?) entonces los procesos para producir estos en el cuerpo deben activarse también. Correr, como cualquier actividad física vigorosa, también causa más ruptura de fibras musculares y otro daño/desgaste microscópico, por lo que puede haber reparaciones adicionales después. En otras palabras, en segundo plano nuestro cuerpo puede iniciar o detener muchos otros procesos.
• Casi nunca se optimiza correr. Hacemos otros movimientos también, por costumbre o necesidad. Respiramos de manera diferente, podemos apretar los puños u otros músculos, o apretar un poco los dientes (músculos de la mandíbula). Relacionado, podemos encontrar que necesitamos mantener algunos músculos esqueléticos más rígidos, no relajados, para evitar que las partes del cuerpo "se sacudan" (movimiento brusco y tal vez daño a medida que corremos), lo cual no sería necesario con caminar.

Answer 2

Esta respuesta puede estar completamente incorrecta. Ver discusión en los comentarios. La fórmula de potencia a mitad de la página es definitivamente incorrecta. Si un moderador desea eliminar la respuesta, estaría bien, pero la dejaré hasta entonces ya que creo que la discusión a continuación tiene valor. Creo que mi fórmula para la potencia promedio debería ser 1/8 de lo que utilicé, lo que ya no calificaría como la mayor parte del gasto energético, incluso teniendo en cuenta la ineficiencia muscular.

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La mayor parte del gasto de energía adicional para correr es el componente de salto, no el componente gastado en la fuerza propulsora horizontal. Una vez que estás a tu máxima velocidad, no se necesita mucha más potencia aplicada horizontalmente para mantenerte en movimiento de lo que se necesita para caminar. Pero para mantener esa velocidad, necesitas pasar mucho tiempo en el aire, y el movimiento de arriba abajo tiene un alto costo de potencia.

Anexo con cálculo real:

Un corredor típico pasa aproximadamente la mitad de cada zancada (aproximadamente 0.15 s) en el aire cuando corre a velocidades superiores a 6m/s.$^1$ Es decir, la gravedad está haciendo trabajo sobre ellos durante 0.15 segundos de cada 0.3 segundos. Si asumimos que la colisión del corredor con el suelo en cada zancada es perfectamente inelástica, entonces para no caerse, deben aplicar un empuje vertical promedio con potencia que es la mitad de la que la gravedad está aplicando sobre ellos durante cada período de caída de 0.15s.

de $Pt = T = 1/2 mv^2, a = dv/dt$

tenemos:

$$\langle P \rangle = m\Delta ta^2$$

entonces:

$$P_{\text{corredor}} = \frac{\Delta t_{\text{aire}}}{\Delta t_{\text{zancada}}} P_{\text{gravedad}} = 0.5\cdot0.15\mathrm s\cdot g^2\cdot m_{\text{corredor}}$$

Eso es aproximadamente 7 watts por kilogramo del corredor. Extrapolando a partir de los datos en (1), sería significativamente menos si estuvieras trotando lentamente (más tiempo de contacto con el suelo y menos tiempo en el aire por zancada), y ligeramente menos si estuvieras corriendo muy rápido (menos tiempo en el suelo y en el aire por zancada, pero aproximadamente la misma proporción de tiempo en el suelo y en el aire). Por supuesto, la potencia muscular no es 100% eficiente, por lo que esperaría que el valor real sea considerablemente más alto.

Las personas en el estudio en realidad estaban "corriendo" muy lentamente - 2.8m/s, lo que es más parecido a un trote perezoso y casi no incluye tiempo en el aire por zancada. Por lo tanto, no es sorprendente que la diferencia en la potencia de salida con respecto a caminar sea pequeña (245 watts).

Ingresando 0.05s de tiempo en el aire y 0.35s de tiempo en el suelo por zancada (de (1)) en la fórmula anterior, para un corredor de 70kg, $P \approx 45\mathrm W$, dejando aproximadamente 200W como potencia desaprovechada.

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1:http://gsnider.blogspot.com/2014/01/running-physics-redux-part-1-running.html

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Cometí un error matemático la primera vez que publiqué este anexo. $P = 2m\Delta ta^2$ como he indicado, pero queremos una potencia promedio en el tiempo, mientras que la potencia aplicada por la gravedad aumenta con el tiempo de caída según la fórmula. La fórmula que debería haber usado (ahora corregida) es $\langle P \rangle = m\Delta ta^2$

Answer 3

Al correr, los músculos requieren un mayor consumo de oxígeno, por lo que se espera que una parte significativa de la síntesis de ATP tome la ruta de la fermentación, que se sabe que es menos eficiente que la respiración celular habitual.

Answer 4

Una diferencia es la resistencia aerodinámica, la cual tiene un requisito de potencia que escala con la tercera potencia de la velocidad.

No pude encontrar fácilmente una evaluación de la resistencia aerodinámica para correr, pero esto es comúnmente calculado para ciclismo, y un ciclista también es un ser humano erguido. Por supuesto, las pérdidas en el suelo serán diferentes (el rodar es más eficiente que el movimiento intermitente de correr) así que esta no es una imagen completa, solo una estimación de un elemento. Poniendo las cifras del resumen vinculado en la pregunta (1.41 o 2.82m/s, distancia de 1600m) en una calculadora de potencia para bicicletas con un corredor de 70kg y una bicicleta sin peso da un gasto de 27kJ al paso, y 37kJ corriendo solo para vencer la resistencia al aire. En términos de potencia, esto es 7W durante casi 17 minutos caminando o 16W durante casi 10 minutos caminando.

Por cierto, esta es la razón por la que los récords de carreras de larga distancia usan un equipo de liebres. Obviamente van más rápido, por lo que la resistencia aerodinámica tiene un efecto mayor.

Answer 5

El error en tu razonamiento es simplemente que la mayoría de los sistemas no se comportan como sistemas ideales y simplificados. Esto es especialmente cierto para las criaturas biológicas.

En el caso ideal, la energía necesaria para el movimiento es 0. La energía solo es necesaria para un aumento en la energía potencial o la velocidad. Sin embargo, esto no es claramente el caso para las personas. Caminar no es simplemente un proceso de algo siguiendo la primera ley de Newton, sino más bien una persona que se inclina hacia adelante y se atrapa a sí misma.

Claramente, algún método de movimiento va a ser más eficiente que otros. Saltar es menos eficiente que correr, pero más eficiente que rodar en el suelo.

Por qué correr es más rápido que caminar es una pregunta complicada, y probablemente es mejor para un biólogo. Sin embargo, aquí hay algunas razones.

Arrastre

Más velocidad significa más arrastre. Eso significa que haces más trabajo para contrarrestar el efecto de la fricción del aire. Esta energía se disipa como calor.

Movimiento pendular

Tus piernas se comportan de alguna manera como un péndulo. A la velocidad ideal de caminar, tus piernas se balancean a la frecuencia natural. A velocidades de carrera, necesitas usar energía para acelerar tus piernas de ida y vuelta.

Movimiento vertical

Tu centro de masa sube y baja más al correr. Cuando tu centro de masa está bajando, la gravedad está haciendo trabajo. Sin embargo, no recuperas esta energía. De hecho, necesitas usar energía para detener tu velocidad descendente. También necesitas energía para empujarte de nuevo hacia arriba.

Equilibrio

Necesitas gastar más energía para mantener el equilibrio al correr. Por ejemplo, necesitas mover tus brazos de un lado a otro más, y una vez más, no a su frecuencia natural.

Práctica

Correr y caminar son habilidades. Te vuelves mejor en ellas con la práctica. Mejor, en este caso, incluye ser más eficiente. Debido a que una persona generalmente pasa más tiempo practicando caminar que correr, son mejores caminando.