# Хайнц Вольфф: почему человек — это двигатель внутреннего сгорания и как измерить его КПД

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=5g8jOpz9v5A
Канал: The Royal Institution
Опубликовано: 31.05.2025

---

В 1975 году на знаменитых Рождественских лекциях Королевского института профессор Хайнц Вольфф представил физиологию человека через призму инженерного дела. В первой лекции цикла «Сигналы изнутри» он объясняет, почему наше тело — это сложный двигатель внутреннего сгорания, и демонстрирует, как наука научилась измерять «расход топлива» живого организма, не прибегая к его разборке на части.

## ⚙️ Человек как двигатель внутреннего сгорания
[[JUMP:01:18]]

Хайнц Вольфф начинает с фундаментальной аналогии: каждый человек является двигателем внутреннего сгорания [01:18]. Единственное существенное отличие от паровой машины или внешнего двигателя в том, что в нашем случае «топливо» сгорает внутри системы, а не снаружи [01:31]. 

В быту мы привыкли интересоваться расходом топлива автомобилей, особенно в условиях дорогого бензина. Измерить эффективность машины просто: достаточно залить фиксированный объем топлива и проехать до полной остановки [02:12]. С человеком такой эксперимент провести невозможно — мы не можем дать добровольцу один сэндвич и заставить его идти, пока он не упадет от истощения [02:25]. Тем не менее, по мнению Вольффа, измерение расхода энергии человека критически важно по двум причинам:

*   **Промышленная эффективность:** Понимание того, какие машины или процессы создают больше нагрузки на рабочих [02:52].
*   **Медицина и борьба с ожирением:** Поиск ответа на вопрос, почему при одинаковом питании один человек полнеет, а другой остается худым [03:30]. Это напрямую связано с тем, как эффективно организм сжигает внутреннее «топливо» или отправляет его «на склад» в виде жира [03:44].

## 🧪 Химия сгорания: от глюкозы до лампочки
[[JUMP:04:12]]

Процесс, происходящий внутри тканей, с точки зрения химии довольно прост: еда соединяется с кислородом (окисляется), в результате чего образуются углекислый газ (CO₂), вода и энергия [04:12]. 

Профессор приводит базовое уравнение сгорания глюкозы:

*   Глюкоза + Кислород = Углекислый газ + Вода + 2835 кДж энергии [04:39].

Вольфф поясняет систему измерений: джоуль — это мера количества энергии. Для тех, кто привык к калориям, профессор предлагает делить цифру в джоулях на 4,18 [04:52]. Сгорание небольшого количества глюкозы дает около 700 калорий. Для наглядности он приводит пример: 10 граммов (две чайные ложки) глюкозы содержат достаточно энергии, чтобы поддерживать свечение 40-ваттной лампочки в течение целого часа [05:30].

Чтобы доказать, что этот процесс реален, Вольфф проводит эффектный эксперимент с обычным бисквитом [05:57]. Сначала доброволец из зала съедает половину пирожного, подтверждая его безопасность. Затем профессор окунает вторую половину в жидкий кислород и поджигает [06:39]. Происходит бурная вспышка — это «ускоренная» версия того, что происходит в нашем теле. В организме это сгорание идет медленнее, выделяя тепло, водяной пар, CO₂ и совершая полезную работу [07:48].

## 🛠️ Инструменты «неразрушающего контроля» организма
[[JUMP:08:15]]

Главная сложность физиолога в том, что в отличие от автомеханика, он не может разобрать человека с помощью гаечного ключа и ножовки [13:12]. Поэтому используются методы «неинвазивных измерений». Основными инструментами в лаборатории Вольффа становятся:

1.  **Анализатор кислорода:** Прибор, измеряющий процент O₂ в воздухе (в свежем воздухе его около 21%) [08:29].
2.  **Инфракрасный анализатор CO₂:** Определяет концентрацию углекислого газа (в помещении с людьми она быстро растет с базовых 0,03% до более высоких значений) [09:08].
3.  **Газовые счетчики:** Аналоги домашних счетчиков газа, но с большой шкалой для замера объема выдыхаемого воздуха [09:49].

Эксперимент с воздушным шаром показывает разницу: в выдохе человека содержание кислорода падает примерно до 18%, а CO₂ вырастает до 3,3% [11:07]. При задержке дыхания (ребризинге) Вольфф доводит эти показатели до экстремальных: более 6% CO₂ и падение O₂ до 12%, что соответствует условиям на вершине Эвереста [12:07].

### Как работает инфракрасный анализатор газа
[[JUMP:13:52]]

Принцип работы прибора основан на оптике. Если пропустить свет через призму, получится спектр [14:05]. Вольфф демонстрирует, как розовый раствор марганцовки поглощает зеленые и желтые части спектра, нагреваясь при этом [15:11]. 

Газы тоже имеют «цвет», но в инфракрасном диапазоне. Углекислый газ интенсивно поглощает излучение на длинах волн 2,8 и 4,3 микрона [16:58]. Прибор, изобретенный в 1940 году немцем по фамилии Люфт (Luft), использует этот эффект [20:05]:

*   Две камеры с нагревателями разделены мембраной.
*   Если в одну из камер попадает CO₂, он поглощает энергию, газ расширяется, и давление растет.
*   Разница давлений отклоняет стрелку прибора [19:38].
*   Профессор называет принцип настройки прибора на конкретный газ «поимкой вора с помощью другого вора» (использование самого газа для детекции излучения) [20:59].

## 🧲 Магнетизм кислорода и наследие Фарадея
[[JUMP:28:43]]

Вольфф переходит ко второму прибору — анализатору кислорода. Большинство веществ в мире либо **диамагнитны** (слабо отталкиваются магнитом), либо **парамагнитны** (притягиваются) [29:10]. 

Майкл Фарадей в 1847 году в этом же здании Королевского института доказал, что кислород — парамагнитный газ [30:57]. Вольфф демонстрирует это с помощью жидкого кислорода. В то время как жидкий азот равнодушен к магниту, голубоватая жидкость (кислород) буквально застревает между полюсами мощного магнита, образуя кипящую перемычку [34:11].

Современный анализатор использует это свойство: внутри находится крошечная «гантель» из диамагнитного стекла, подвешенная на нити [35:42]. В магнитном поле она стремится занять положение в области самой слабой индукции. Но если в камеру пустить кислород, он делает магнитное поле «плотнее», выталкивая гантель сильнее [36:35]. Это микродвижение фиксируется с помощью зеркальца и светового луча, превращаясь в точные проценты на циферблате [37:43].

## 🚴‍♂️ Большой эксперимент: расчет КПД человека
[[JUMP:38:22]]

Чтобы рассчитать эффективность человека, Вольфф проводит двойной эксперимент:

1.  **Пассивный слушатель:** Доброволец в маске просто сидит и слушает лекцию [38:51].
2.  **Активный велосипедист:** Молодой человек крутит педали велосипеда, соединенного с мощным генератором, вырабатывающим 80 Ватт электроэнергии [40:27].

### Расчеты для велосипедиста:

*   **Время работы:** 3 минуты (180 секунд).
*   **Объем выдохнутого воздуха:** 90 литров [46:03].
*   **Потребление кислорода:** Из воздуха было извлечено 4% кислорода (с 21% до 17%) [45:50].
*   **Энергия сгорания:** Один литр потребленного кислорода эквивалентен примерно 22 кДж энергии. Итого внутри тела «сгорело» 74,4 кДж [47:07].
*   **Выработанная энергия:** 80 Ватт * 180 секунд = 14,4 кДж полезной работы [47:36].
*   **Эффективность (КПД):** Соотношение полезной работы к затраченной составило **19,35%** [48:06].

Вольфф констатирует: эффективность мышц ног составляет около 20%. Это хороший результат, учитывая потери на трение в механизме [48:18].

### Ироничный вывод о похудении
[[JUMP:49:15]]

За три минуты изнурительной работы велосипедист сжег энергию, эквивалентную всего **четырем шоколадным драже** (каждое по 20 кДж) [48:46]. 

По мнению Вольффа, это наглядно демонстрирует, как сложно сбросить вес с помощью одних лишь упражнений [49:15]. Даже умеренная прогулка сжигает так мало, что лишний десяток шоколадок в день потребует многочасовых поездок на велосипеде только для того, чтобы остаться в прежнем весе [49:54].

В завершение лекции Хайнц Вольфф сам садится за велосипед-генератор, чтобы выработать электричество для финальных титров программы, подчеркивая, что физиология — это не только сухие цифры, но и энергия самой жизни [55:11].