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世界今亮點(diǎn)!自行車(chē)并不能省功,為何卻比走著省力?走路要花費(fèi)很多額外的力氣

時(shí)間:2022-07-14 09:27:06    來(lái)源:科普中國(guó)網(wǎng)    

走路省勁,還是騎車(chē)省勁?當(dāng)然是騎車(chē),否則自行車(chē)就沒(méi)有存在的價(jià)值了。


【資料圖】

自行車(chē)雖然是一種簡(jiǎn)單的代步工具,而且結(jié)構(gòu)也并不復(fù)雜,但其卻涉及到了很多物理學(xué)原理。我們都知道杠桿可以分為省力杠桿和費(fèi)力杠桿,而自行車(chē)就是典型的費(fèi)力杠桿。不過(guò)不要被“費(fèi)力杠桿”這個(gè)稱(chēng)呼所迷惑,費(fèi)力杠桿并不代表真的費(fèi)力,所謂費(fèi)力杠桿,指的就是在杠桿平衡的條件下,動(dòng)力大于阻力,動(dòng)力臂大于阻力臂。因?yàn)閯?dòng)力乘以動(dòng)力臂等于阻力乘以阻力臂,所以費(fèi)力杠桿表面上費(fèi)了力氣,實(shí)際上卻省下了距離,歸根結(jié)底還是省了力。具體到自行車(chē)的問(wèn)題上來(lái),就是主動(dòng)輪大于從動(dòng)輪,也就是腳踏上的牙盤(pán)大于后輪上的飛輪,以此實(shí)現(xiàn)增速。

借助于自行車(chē)這個(gè)費(fèi)力杠桿,我們可以在時(shí)間相同的情況下,行進(jìn)更遠(yuǎn)的距離,所以也就省了力,但自行車(chē)的省力不僅于此,即便是不考慮距離,只考慮時(shí)間,騎車(chē)依舊比走著省力,也就是說(shuō)同樣都是一個(gè)小時(shí),走路一小時(shí)就要比騎車(chē)一小時(shí)更累,這又是為什么呢?

這其實(shí)是一件比較令人費(fèi)解的事情,因?yàn)槿魏螜C(jī)械都是不可能“省功”的,只可能浪費(fèi)更多的功,自行車(chē)也不例外,既然自行車(chē)不能省功,那么在相同時(shí)間下,騎車(chē)也就不可能比走路省力。很顯然,理論結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況并不相符,這說(shuō)明有一些問(wèn)題被我們忽略了。

從宏觀角度來(lái)看,走路的確比騎車(chē)省功,但人體本身也是一個(gè)機(jī)械,這個(gè)機(jī)械會(huì)在我們看不見(jiàn)的地方做功。

所謂做功,就是能量由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式的過(guò)程,它要求物體在力的方向上發(fā)生移動(dòng)。從做功的定義上來(lái)看,提一桶水上2樓就是做功了,而提一桶水走2公里就是沒(méi)做功,因?yàn)樘崴皶r(shí)力是向上的,所以前者在力的方向上移動(dòng)了距離,而后者沒(méi)有。這個(gè)結(jié)論并沒(méi)有錯(cuò),但同樣是基于宏觀視角作出的結(jié)論,而實(shí)際上提著一桶水向前走,雖然沒(méi)有做功,但依舊很累,為什么呢?因?yàn)楸砻嫔衔覀儧](méi)有做功,但我們身體內(nèi)部的肌肉卻一直在做功。

為了能夠提著水桶,人體手臂內(nèi)的細(xì)肌絲一直在粗肌絲上滑動(dòng),而這種滑動(dòng)是通過(guò)細(xì)肌絲上的“橫橋”來(lái)?yè)軇?dòng)的,所以表面上人沒(méi)有做功,實(shí)際上人體內(nèi)的“橫橋”一直在做功。

人保持任何的姿勢(shì)都需要依靠身體的肌肉來(lái)實(shí)現(xiàn),不同的姿勢(shì)所調(diào)動(dòng)的肌肉是不同的,走路時(shí)我們是站著的,而騎車(chē)時(shí)則是坐著的,顯然,站著比坐著需要調(diào)動(dòng)更多部分的肌肉,所以站著比坐著費(fèi)力,走著自然也就比騎車(chē)費(fèi)力。除了姿勢(shì)浪費(fèi)了額外的力氣以外,走路時(shí)還一直在花費(fèi)額外的力氣對(duì)抗重力。在一條平直的公路上騎行時(shí),我們是不需要對(duì)抗重力的,因?yàn)樽孕熊?chē)始終是在向前方移動(dòng),而并沒(méi)有向著與重力相反的方向,也就是上方移動(dòng),但走路就不同了。

當(dāng)一個(gè)人兩腿并攏豎直站立的時(shí)候,他的垂直身高是最高的,此時(shí)重心也是最高的。

當(dāng)一個(gè)人邁開(kāi)雙腿向前行進(jìn)時(shí),他的垂直身高便會(huì)降低,所以重心也會(huì)隨之降低。走路本質(zhì)上就是一個(gè)人由雙腿并攏到邁開(kāi)雙腿,再到雙腿并攏的過(guò)程,在這個(gè)過(guò)程中,人體的重心會(huì)不斷上下移動(dòng),當(dāng)重心由下往上移動(dòng)時(shí),人就必須要為克服重力而做功,此時(shí)就要耗費(fèi)額外的力氣,這也是走路比騎自行車(chē)更為費(fèi)力的原因之一。這就完了嗎?當(dāng)然沒(méi)有,走路之所以比騎車(chē)更費(fèi)力,還有第三個(gè)原因。

騎自行車(chē)是可以勻速運(yùn)動(dòng)的,但是走路不行。

從宏觀角度來(lái)看,走路的確也可以是一個(gè)勻速運(yùn)動(dòng),但如果我們將走路的過(guò)程拆分來(lái)看就有所不同了。我們走出的每一步都要經(jīng)歷速度變化,在我們的腳剛剛落地向下蹬踏的時(shí)候,此時(shí)的速度是最快的,之后速度便會(huì)下降,直到另一只腳落地蹬踏,又會(huì)再次加速。所以表面上看起來(lái)走路是一個(gè)勻速運(yùn)動(dòng),但實(shí)際上它是一個(gè)加速運(yùn)動(dòng),而且是一個(gè)反復(fù)的加速運(yùn)動(dòng),我們都知道使一個(gè)物體加速需要消耗更多的能量,所以走路自然也就更費(fèi)力氣?,F(xiàn)在我們就明白了,騎自行車(chē)雖然不能省功,但是由于走路要額外花費(fèi)很多力氣在其他的事情上,所以也就顯得比較費(fèi)力了。

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