Verrichtet man wirklich keine Arbeit wenn man einen Körper nur "hoch hält"?
Ich hab mir gerade die Frage gestellt ob die Aussage von meinem Experimentalphysik Prof wirklich stimmt. Der behauptet dass man(als Mensch) keine Arbeit verrichtet wenn man ein Gewicht einfach still in der Lüft hält. "Der physiologische Arbeitsbegriff unterscheidet sich von dem Physikalischen" und bla. Stimmt das denn überhaupt? Wie ist denn das Biologisch? Mich als Lebewesen kostet das ja definitiv Energie. Wo geht denn die dann hin? Finden da nicht in den Muskelzellen nicht alle möglichen Bewegungen statt bei denen Arbeit verrichtet wird? ..ich hab noch nich allzu viel ahnung von den ganzen Energiebegriffen.. ...aber läuft das nicht echt einfach darauf raus dass jede Energie die ich umsetz wenn ich ein Gewicht in der Luft halte irgendwie in der Zelle als Arbeit wirkt?
12 Antworten
Es gibt verschiedene Arten der Muskulatur. Bei den Skelettmuskeln ist es so, daß zur Anspannung ständig Energie benötigt wird (bei der glatten Muskulatur ist das nicht so), das bedeutet, daß der menschliche Körper tatsächlich Energie verbraucht, um ein Gewicht in der Luft zu halten. Physikalisch wird am dem Gewicht keine Arbeit verrichtet, genauso, als wäre es an einem Stativ aufgehängt. Die Energie wird also allein im Muskel verbraucht und letztlich in Wärme umgesetzt.
Das wesentliche wurde bereits in dem unteren Kommentar von fraggle16 gesagt, daß die isometrische Kontraktion (um die es hier geht) nicht auf einer Bewegung der Muskelbausteine beruht, sondern auf einer elastischen Dehnung. Dafür werden zwar auch Nervenimpulse benötigt und Energie verbraucht, aber eben keine mechanische Arbeit verrichtet, auch nicht im mikroskopischen Maßstab.
Okay, also das ist dann denk ich die entgültige Antwort auf meine Frage mit der alles geklärt ist. Ich muss an der Stelle zugeben dass ich selbst beim Lesen des Zitats von fraggle 16 nich so schlau draus geworden, aber du hast das jetzt echt super im physikalischen Sinne interpretiert und jetzt macht das Zitat auch echt Sinn für mich. Also dankeschön, damit wär das Thema jetzt echt entgültig geklärt für mich. Dankeschön!
natürlich hat er recht, physiologisch ist das ne andere Nummer, weil Protagonisten und Antagonisten (Spieler und Gegenspieler der Muskulatur) gleichzeitig angespannt werden müssen, um das Hochhalten möglich zu machen. Physiologisch wird also chem. Energie zu Erhaltung des Zustandes benötigt. Dies nennt man in der Physiologie "statische Arbeit" (im Gegensatz zu dynamischer Arbeit), die aber so in der Physik selbst nicht vorkommt.
in der Physik ist Arbeit über Kraft und Weg definiert. Da kein Weg zurück gelegt wird, wird im physikalischen Sinne auch keine Arbeit verrichtet.
..also der springende Punkt in meiner Überlegung war ja eben ob nicht auch in den Zellen bei der Anspannung der Muskulatur PHYSIKALISCHE Arbeit verrichtet wird? Also ob da nicht in diesem kleinen Maßstab auch Arbeit verrichtet wird. Das geht aus deiner Aussage noch nciht hervor, oder? Weißt du darüber vielleicht mehr?
hehe, da wird's haarig.
um keinen Fehler zu machen (Physiologie ist bei mir im Jahr 1995 gewesen, also schon ein paar Tage her), hab ich's vorsichtshalber nochmal nachgelesen:
"Bei der isometrischen Kontraktion bleibt auch die Länge der Sarkomere konstant, d.h. die Mikrofilamente Myosin und Actin rutschen nicht ineinander. Die Kraftentfaltung beruht dennoch auf der Nickbewegung der Myosinköpfe. Allerdings entsteht bei der isometrischen Kontraktion die Kraft nicht aus der Bewegung der Mikrofilamente sondern daraus, dass der obere Teil der Myosinmoleküle (die "Hälse") elastisch gedehnt werden. "
Quelle: http://www.sinnesphysiologie.de/gruvo03/muskel2/iso.htm
diese Dehnung beruht wiederum auf chemischen Prozessen. ist also trotzdem eine durch chemische Prozesse bedingte "Arbeit".
Sehr schön, das hört sich dann doch noch nach ner Antwort auf die Frage die ich im Kopf hatte an. :) Mit dem Zitat kann ich zwar nich so superviel anfangen, aber die Aussage ist klar geworden, danke!^^
zur Erklärung, bei einer isometrischen Kontraktion, die du zur dynamischen - also physikalischen - Arbeit brauchst - zum Beispiel, um etwas anzuheben, rutschen Actin und Myosin (beides Mikrofilamente, die unter Einfluss von Calzim-Ionen arbeiten, also sich bewegen) ineinander. Dadurch verkürzt sich das Sarkomer, was aus beiden Filamenten besteht. Da dies nicht nur in einem Sarkomer geschieht, sondern in der kompletten Muskelfaser (Muskel-Mikro-fasern schließen sich aus mehreren Zellen zusammen, haben keine Zellmembran mehr, aber mehrere Kerne), kommt es zur Verkürzung des Muskels, einer isotonischen Kontraktion - Spannung bleibt gleich, aber der Muskel verkürzt sich.
isometrisch bedeutet - Länge des Muskels bleibt gleich, aber die Spannung verändert sich.
bei beidem wird Energie verbraucht.
hä, das hab ich jetzt absolut gar nich verstanden, sry^^ .. der komplette Kommentar hört sich für mich so an als gehts nur im isotonische Kontraktion. Aber am Anfang sagst du was von isometrischer Kontraktion. Ich versteh dich grad so als würde isometrische Kontraktion bedeuten dass physikalische Arbeit verrichtet wird und dass die Mikrofilamente ineinander rutschen, aber ists nich genau anderstrum? Sag mir bitte nochmal kurz in welchem der drei Sätze im ersten Abschnitt es jetzt um isometrische Kontraktion und in welchem es im isotonische gehen soll. Mir kommts irgednwie voll so vor als hättest du was verdreht, aber eig glaub ichs nich.^^
ich hab dir versucht zu erklären, wie isotonische Kontraktion funktioniert, weil ich dachte, du kennst dich damit nicht aus.
also der Abschnitt
"zur Erklärung .... bis ....der Muskel verkürzt sich" ist alles isotonisch
bei isometrischer Kontraktion wird, wie zuvor beschrieben, nur der Myosinhals gedehnt, wodurch Druck erzeugt wird, der dem physiologischen Muskeltonus entspricht.
ah okay.. dann hab ichs jetzt glaub ich doch noch alles verstanden.. muss mir jetzt mal im anschluss nochmal gedanken dazu machen ..aber dann war meine Verwirrung doch auch völlig gerechtfertigt, oder nicht? hab ich recht wenn ich behaupte du hast dich granatenmäßig verschrieben?^^ weil du angefangen hast mit "zur Erklärung, bei einer ISOMETRISCHEN Kontraktion[...]"
Dein Prof hat absolut Recht. Arbeit ist definiert als Kraft * Weg * cos(Winkel(Kraft,Weg)). Wenn du still stehst oder dich auch mit gleichmäßiger Geschwindigkeit bewegst , so gibt es keine Kraft entlang des Weges und die Arbeit beträgt Null.
Nun ist der Mensch an sich kein Metallgestell auf Rädern, sondern eine thermodynamische Maschine, die nur so lange lebt, wie sie dafür benötigte Energie bekommt. Deswegen verbraucht der Mensch an sich ständig Energie. Und um eine Masse in der Luft zu halten, muss der Mensch seine Muskeln anspannen und das kostet ebenfalls Energie bzw. es wird auf der mikroskopischen Ebene Arbeit verrichtet. Dies liegt aber nur an der Physiologie des menschlichen Körpers.
Irgendwie widersprichst du dir ja grad.^^ Im ersten Abschnitt sagst du es wird keine Arbeit verrichtet und im zweiten sagst du es wird doch Arbeit verrichtet.^^ Aber damit drückst du eigentlich genau das aus um was es mir geht. Dass makroskopisch scheinbar keine Arbeit verrichtet wird war mir ja von Anfang an klar.. aber ich hab mir eben anfangs genau das gedacht was du im 2. Abschnitt sagst. Weil ich auch vom Energieverbrauch auf "mikroskopische" Arbeit geschlossen hab. Aber das Ergebnis der Diskussion hier drin war dass dabei keine Arbeit verrichtet wird. Wenns dich interessiert les mal die Antworten von fraggle 16 und woflx und die Kommentare dazu.
Nein, ich widerspreche mir nicht, wenn es auch so aussieht ;) Stell dir vor eine außerirdisches Wesen vor, dass an den Beinen Hakenförmige Knochenauswüchse hat. Wenn du jetzt daran eine Masse befestigst, dann kostet es dem Lebewesen überhaupt keine Arbeit, dass das Ding daran hängt. Beim Menschen kostet es nur deswegen Arbeit, weil er das Gleichgewicht bzw. die Muskeln angespannt halten muss. Dies hat aber nichts mit der Bewegung der Masse an sich zu tun, also um die Definition der Arbeit um die es dem Prof ging.
Dann hätte er also doch nicht recht und es kostet arbeit ;) "absolut" Recht hätte er zumindest nicht wie du es gesagt hast.. entweder es wird Arbeit verrichtet oder nicht.. in der Physik gibt es nicht beides.. und damit ist auf jedenfall ein Widerspruch in deinem ersten Beitrag :P (sry, bin n bisschen rechthaberisch^^) aber wie gesagt.. die Diskussion (siehe fraggle 16 und wolfx) hier hat ergeben dass sowohl makroskopisch als auch mikroskopisch keine Arbeit verrichtet wird, deshalb hat er so oder so recht und unsere kleine Diskussion hier macht das zml überflüssig.^^
btw gibt es kein "arbeit kosten"(hast du ja so gesagt) .. du musst unterscheiden zwischen Energieübertragungsformen und Energieformen. Arbeit ist eine Form der Energieübertragung aber es ist keine absolute Größe, also kein Energiereservoir.. das ist denk ich auch son bisschen der springende Punkt warum du so strikt davon ausgehst dass das doch was mit Arbeit zu tun hat. Nur weil es Energie kostet das Gewicht zu halten, heißt das nicht dass diese Energie in Form von Arbeit übertragen wird (..auch wenn ich noch gar nicht verstanden hab in welcher Form sie dann übertragen wird^^).
Lass mich raten, du bist eine Frau im ersten Semester.... Lass uns noch mal miteinander reden, wenn du dein Bachelor hast :P
Wie du es auch drehst, der Prof hatte recht.
zu erst mal bin ich männlich und jetzt mit dem zweiten semester(biophysik) fertig... und ich hoff stark für dich dass du lediglich wegen meines bescheuerten Benutzernames der auf "a" endet auf "eine Frau" geschlossen hast ;)
also.. hab mir schon fast gedacht dass das ein schuss in den ofen war dich verbessern zu wollen, aber als ich nochmal drüber nachgedacht hab war die "kommentar bearbeiten"-zeit schon vorbei^^
aber trotzdem - auch wenn ich dir glaub dass du vielleicht schon mehr auf dem kasten hast als ich - ist deine haltung grad nich so gerechtfertigt. Ich hab definitiv alles verstanden was du mir erzählt hast, und denk eher dass du mich an vielen ecken nich so verstanden hast. Bzw anfangs vorallem "unterschätzt" hast.. dass Arbeit Kraft(komponente entlang des Weges) mal Weg ist hab ich schon oft genug in meinem Leben gehört, das brauch mir keiner mehr erzählen ;) ..also was mir mein prof mit der aussage sagen will weiß ich schon, und dass jede andere Formulierung und Auschweifung eher unangebracht in der Mechanik Vorlesung wäre weiß ich auch.. mir gehts hier gerade lediglich ums Prinzip... ..Und deine Alien Vergleich hättest dir auch sparen können :P und jetzt erklär mir mal wie dein erster kommentar kein widerspruch sein soll. Wie willst denn das in einem Satz formulieren? So wie viele andern hier mti "physikalisch wird keine arbeit geleistet, biologisch ja".. das halt ich für ziemlichen schwachsinn solche aussagen. Mir ging es bei der Frage einfach darum ob bei dem Prozess Arbeit aufgebracht wird ..und wenn du meinst dass mikroskopisch arbeit aufgebracht wird dann kann mein prof doch prinzipiell schlecht "absolut Recht" haben.
..jetzt interessiert mich noch warum du mich als "Frau im ersten Semester" erniedrigst :P .. war das was ich nach "btw gibt es kein.." geschrieben hab falsch?
und damit wir uns nochmal richtig verstehn: ich will nichts in richtung "da wird doch arbeit verbraucht" "drehen" .. weil mich (wie ich jetzt zum 3. mal sage^^) die "andern" hier schon davon überzeugt haben dass da KEINE arbeit verrichtet wird. auch auf mikroskopischer eben nicht. ..bei der diskussion gehts mir grad eigentlich wieder nur ums prinzip und dass ich find du widersprichst dir im ersten kommentar :P
Mir ist schon klar was dein Problem ist. Daran verhaken sich immer wieder einige (irgendwie überwiegend Frauen) in der Ex1 Vorlesung und die ist im ersten Semester Physikstudiums. Dann wollen sie gleich einen Fehler beim Prof gefunden haben und wollen ihn rechthaberisch mitten in der Vorlesung korrigieren. Im Nachhinein sieht das Ganze ziemlich peinlich aus ;)
Nein, du hast es immer noch nicht verstanden um was es geht ^^ Wenn du tief genug auf die Molekularebene gehst, dann wird da klar Arbeit verrichtet (Irgendwelche Ionen, die trotz eines el. Potentials in eine Zelle eindringen ect.). Das ist aber nicht von Bedeutung und mein Beispiel mit dem Alien war da ganz gut, meine ich doch.
Beispiel: Mechanisches Gestellt mit einer Masse drauf -> Keine Arbeit wird verrichtet
Mensch mit hält eine Masse -> Lebenserhaltung(Energieverbrauch, intern wird auch Arbeit verrichtet) + Zusätzlicher Energieverbrauch (intern wieder Verrichtung der Arbeit) damit der Körper stabilisiert wird und nicht zusammen klappt.
Alien aus meinem Beispiel -> Lebenserhaltung(Energie wird wird verbraucht, intern wird auch Arbeit verrichtet) + Kein zusätzlicher Energieverbrauch weil die Masse über einen Knochen auf dem Boden abgestützt wird und der Körper nicht irgendwie ausbalanciert werden muss.
Du kannst dir auch ein Lebewesen vorstellen, dass irgendwie eingefroren ist und überhaupt keinen Stoffwechsel hat.
Und genau diesen Faktor "Lebewesen" hat dein Prof erwähnt mit der Bemerkung, dass er uninteressant ist und nichts mit der Definition der Kraft zu tun hat.
Und weiter diskutiere ich sowieso nicht, da die beste Antwort bereits ausgezeichnet ist.
reines still in der Luft stehen führt zum Verlust der körperlichen Kraft. Es fehlt an der Bewegung die der Körper machen muss um gelenkig zu bleiben, sonst erschlaffen alle Muskeln.
Interessante Disskussion. Du sagst du hörst Experimentalphysik? Diese Frage hier lässt sich schon mit einfacher Schulphysik beantworten. Physikalische Arbeit ist Kraft, die entlang eines Weges verrichtet wird, also W=Fs. Da beim einfachen Hochhalten kein Weg zurückgelegt wird, ist s=0 => W=F0=0. Also rein physikalisch gesehen verrichtest du keine Arbeit. Ob es nun anstrengend ist und dich Energie kostet, sei mal dahin gestellt. Das spielt für die Physik dahinter keine Rolle
die Antwort akzeptier ich eben nicht einfach so ;) .. schau dir mal die andern Antworten (und meine Kommentare dazu) an, dann merkst um was es mir geht
Also hat das wirklich nicht wirklich was mit Arbeit zu tun, bist du dir da sicher? Die Arbeit könnte ja auch in irgend einer Form in den Zellen sattfinden. Weil da wirken ja Kräfte und es finden auch Bewegungen statt. Mich würde interessieren ob genau eine solche Kraft in Kombination mit Bewegung für das Anspannen der Muskeln notwendig ist, was ja bedeuten würde das hat was mit Arbeit zu tun. Vielleicht nicht "makroskopisch" aber eben eventuell "mikroskopisch". Ich weiß echt noch nicht viel über Arbeit.. aber kann es nicht sogar sein dass immer wenn chemische Energie in Wärme umgewandelt wird, dass der Prozess dann mit Arbeit verbunden ist? ..also ich weiß echt (noch) nicht viel darüber.. aber das war so ne Vermutung von mir..