趣味物理学
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2.走路与奔跑

人对一生中每天都要做很多次的动作肯定再熟悉不过了,大部分人都这么认为,但实际上并非如此。走和跑是我们最熟悉的两种运动,不过我们在走和跑时,到底是如何移动自己的身体的呢?这两种移动方式之间有什么区别,有多少人能够清楚地认识到这一点?我们不妨听一听生理学家是如何讲述走和跑这两种移动方式的。我觉得,大部分人会觉得这段叙述非常新鲜。

比如,一个人正在用右脚站立。让我们想象一下,他稍微抬起脚跟并将躯干向前倾斜。显而易见,在这样的姿势下,从重心所作的垂线肯定超过支撑底面的范围,人就会朝前面倾倒。不过就在即将倒下的瞬间,他将停留在空中的左脚抬起,快速朝前面迈步,踏在沿着重心所作的垂线前方的地面上,因此,垂线再一次进入两只脚的支撑面外缘连线的范围以内,人重新找回了平衡,又向前迈进了一步(如图17)。

图17 人行走时身体的连续动作

他完全可以一直保持这种累人的姿势。不过,假如他想接着向前走,他就要继续向前倾斜身体,从支撑面的范围内排除从重心所作的垂线,当出现倾斜危险时,再次迈出脚步,不过这次迈出脚步的不是左脚而是右脚,按照这个步骤以此类推。所以,走路就是一步一步向前倾斜,之前在后面的脚维持身体的平衡,可以防止再次摔倒。

我们继续认真观察一下这个过程。假如我们已经迈出了第一步,此时此刻我们的右脚还在地面上,而左脚已经踩到地面了。只要步幅比较大,右脚跟就得略微抬起,正是因为略微抬起脚跟的动作,身体才能打破平衡,向前方倾斜。最先踏在地面上的左脚部分是脚跟,当整个脚掌完全踏在地面上时,右脚已经在空中了。与此同时,膝部的左腿略微弯曲,它又因为股三头肌的收缩,而在顷刻间同地面垂直,致使略微弯曲的右脚能够在不离开地面的情况下向前方迈进,并且为了接着迈步而借助身体的运动让脚跟着地。

这时候,左脚仅仅依靠脚趾头支撑着地面,并且迅速抬向空中。又开始了与之前一样的动作(如图18)。

图18 行走时双脚动作示意图:A线表示一只脚的动作,B线表示另一只脚的动作,垂直A、B的线表示脚支撑地面的时刻,弧线表示脚在空中的时刻。从图上可以看出,在a时段中双脚支撑地面;在b时段中A脚在空中而B脚支撑地面;c时段中双脚再次同时支撑地面。走得越快,a、c时段越短(请与图20比较)

奔跑和走路的区别在于,原本站在地面上的脚因为突然的肌肉收缩而强力地弹直,将身体向前方弹去,让身体在瞬间脱离地面,然后身体再一次向下落,用另一只脚接触地面(如图19)。当身体抬到空中时,另一只脚已经迅速地移动到前方。由此得知,奔跑是一系列从一只脚到另一只脚的跳跃循环(如图20)。

图19 人奔跑时身体的连续动作

图20 奔跑时双脚动作示意图(与图18比较)。从图中可以看出奔跑时有时候(b, d,f)双脚腾空

有些人通常所说的在平地上走路消耗的能量等于零,这样的说法并不正确,因为走路的人每迈出一步,他的身体的重心就要上升几厘米。由此计算出,步行者在平地上行走时所做的功,差不多是他将身体提升到一定的高度时所做的功的十五分之一,这样的高度和步行者走过的距离相一致。