Молодыми же давайте оставаться до самой смерти.

Далее мы рассмотрим вопросы, касающиеся усвоения и преобразования энергии в организме, а также практические приложения усвоения и расхода энергии.

Однако, для начала хотелось бы, в самых общих чертах, прояснить вопрос о том, что, собственно, имеют в виду, когда говорят о калориях, содержащихся в пище, или о калориях, которые тратятся при том или ином виде деятельности.

Здесь мы, сильно упрощая реальную ситуацию, рассмотрим энергетические процессы, происходящие при взаимодействиях тел в механических системах.

Скажем, что происходит, когда мы берем с земли камень, поднимаем его вверх на определенную высоту, а потом ударяем камнем о другой камень?

В этом процессе рука (первое тело) взаимодействует с другим телом (камень) и приводит его в движение (ускоренное), потому что вначале камень находился в состоянии покоя (его скорость была равна нулю), а затем приобрел конечную скорость. Из физики известно, что в состояние ускоренного движения тела приводятся в результате действия силы (влияния другого тела).

В системе СИ сила измеряется в ньютонах (1 ньютон – это сила, которая придает телу массой 1 кг ускорение 1 метр на секунду в квадрате).

Придавая телу ускорение, сила, одновременно, его перемещает. Мы возьмем простейший случай, когда направление действия силы совпадает с направлением движения. Перемещая тело по прямолинейной траектории (по нашему условию), сила совершает работу, которая (как и следовало ожидать) измеряется в ньютонах, умноженных на метр (в метрах измеряют расстояние, на которое сила переместила тело). Таким образом, можно образно сказать, что работа – это расход силы на перемещение тела. Единица работы – джоуль. Джоулем называют работу, которую совершает сила в 1 ньютон при перемещении тела массой 1 кг на расстояние 1 метра.

Представим себе теперь, что мы подняли камень на высоту 1 м над землей и держим его в таком положении. Вспомним, что на камень действует сила земного притяжения, и, если мы отпустим камень, то он начнет падать на землю с ускорением около 10 метров за секунду в квадрате (с ускорением свободного падения). Во время падения сила тяготения будет совершать работу по перемещению тела вниз. Таким образом, можно сказать, что способность совершить эту работу была сообщена телу его положением относительно земли. Эта способность называется потенциальной (возможной) энергией. Эта энергия зависит от действующей на тело силы (в данном случае, силы тяготения – если мы вспомним формулу силы, то получится, что силу тяжести надо обозначить mg, где m – масса тела, а g ускорение свободного падения). Если мы теперь умножим силу тяготения на высоту положения камня над землей, то получим выражение mgh, то есть способность камня совершить работу силы тяжести, которую он не совершает, потому что его удерживает от падения внешняя сила. Мы видим, что и численно и по размерности потенциальная энергия равна работе, которая будет произведена. Следовательно, мы имеем право измерить потенциальную энергию в джоулях.

Бросим камень с высоты на железную наковальню. Под действием силы тяжести камень с ускорением полетит вниз и долетит до наковальни с определенной скоростью. За время движения камень набирает энергию движения, которая называется кинетической энергией. Удивительно, но, если наковальня находится на уровне земли, то кинетическая энергия камня, с которой он подействует на наковальню, будет равна его потенциальной энергии, которой он обладал, находясь на высоте h от поверхности земли. Ударившись о наковальню, камень не сможет сдвинуть ее с места, но зато нагреет ее и нагреется сам (возможно на сотую долю градуса), потому что механическая энергия перейдет в тепловую. (Энгельс в «Антидюринге» описывал, что ядра датских пушек, ударяясь о корпуса прусских броненосцев, раскалялись докрасна. Это есть выражение неуничтожимости энергии, которое формулируется первым началом термодинамики – законом сохранения энергии).

Тепловую энергию по традиции иногда измеряютв калориях. Так как мы видим, что механическая энергия в эквивалентных количествах может преобразовываться в тепловую, то спросим, нельзя ли и тепловую энергию выразить в джоулях. Эксперименты показывают, что можно, и один джоуль равен, приблизительно, 0,23 калории, а одна калория эквивалентна 4,2 джоуля.

Для большей предметности скажем, что одна калория – это количество тепла, необходимого для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия.

В пищевых продуктах энергия запасена в виде химических связей, при разрыве которых высвобождается энергия, которую организм, по потребности, усваивает или расходует в форме электрической, механической, тепловой или химической энергии. Количества всех этих видов энергии можно выразить в джоулях, а, значит, и в калориях.

Поэтому, калорийность пищи – это запас энергии в килокалориях на 100 граммов, и эта энергия высвобождается на покрытие энергетических расходов организма.

Теперь на конкретном примере разберемся, как подсчитать расход калорий на какой-то вид деятельности, а, значит, и оценить количество пищи, которую надо употребить, чтобы в точности покрыть расход, и не допустить отложения излишка энергии в жир. (Жир – очень экономичная форма запасания энергии, потому что в 1 килограмме жира запасается около 6000 килокалорий).

Допустим, вы поднимаете груз 10 кг (гантель), тренируя двуглавую мышцу плеча – то есть из положения «опустив руку вниз» сгибаете ее в локте, перемещая груз на 50 см вверх. Всего, попеременно, вы поднимаете его 80 раз (по 40 раз каждой рукой).

Итого, вы поднимаете его на высоту 40 метров. Следовательно, вы сообщаете грузу потенциальную энергию 10(кг)×9,81(м/с2)×40(м), или, приблизительно, 4000 джоулей. В 1 калории примерно 4 джоуля. Значит, на это упражнение вы затратили 1000 калорий, или 1 килокалорию.

Или, можно подсчитать, сколько энергии тратит человек весом 70 кг при ходьбе. С каждым шагом человек поднимает массу 70 кг на высоту около 0,1 м. Перемещение вдоль поверхности земли практически не требует затрат энергии. Допустим, человек делает 100 шагов. Значит, он суммарно поднимает массу тела на высоту 10 метров. По той же формуле 70(кг)×10(м/с2)×10(м), что составляет 7000 джоулей, или 1,75 ккал. Если 100 шагов вы делаете в течение 1 минуты, то за час такой ходьбы вы потратите 105 ккал.

На первое упражнение с отягощением тратится, в среднем, 1 минута. Если чередовать разные упражнения на разные группы мышц, например, с подтягиваниями, приседаниями и отжиманиями, то в час затраты энергии составят около 150 ккал.

Значит, всего на гимнастику и ходьбу было потрачено 250 ккал.

В 1 г углеводов содержится 4 ккал, в 1 г белка – 4 ккал, и в 1 г жира 9 ккал.

В обычной диете весовое соотношение белков, жиров и углеводов должно составлять 1:1:4. Следовательно, белки дадут Х килокалорий, жиры 2Х килокалорий, и углеводы 4Х килокалорий. Считаем: 250 делим на 7, получаем 36 ккал. Таким образом, из белка надо получить 36 ккал, из жиров 72 ккал, и из углеводов приблизительно 150 ккал; то есть для того, чтобы покрыть этот расход энергии, надо употребить 6 граммов белка, около 5 граммов жира и 40 граммов углеводов. Грубо говоря, это 20-граммовый ломтик мяса и кусок белого хлеба с маслом. Не так уж много!