本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。

人搬运物体的时候消耗的力气主要是来自于两个方面,第1个是要对搬运的物体做功。这个非常好理解,就像我们把1桶水拎上楼,拎上3楼肯定比拎上2楼要消耗的能量多。

但是对于人体来说,还有一种虽然不做功,但是仍然要消耗我们体力的动作,这就是把物体用肌肉力量固定在某一个部位。这个过程虽然对物体不做功,但是肌肉仍然会发热消耗能量。

如果我们抱着一桶水站在那里,即使什么也不动,仍然要消耗体力。

因为肌肉细胞保持紧张状态,需要消耗线粒体内的一种高能量物质,叫做三磷酸腺苷,又称作ATP。

ATP是肌肉收缩的直接能量来源。储存在肌肉中的ATP可以维持肌肉收缩长达3秒。在大约3秒钟内,所有的ATP都从肌细胞中耗尽。

此后,ATP利用肌纤维磷酸肌酸储备的去磷酸化所释放的能量再生:磷酸肌酸+ADP------>肌酸+ATP。

肌纤维的磷酸肌酸储备量,一般情况下可维持肌肉约5秒的收缩,经过锻炼的运动员最多可达8秒。

当磷酸肌酸储备耗尽后,ATP再生所需的能量来自乙二醇sis,它可以维持肌肉收缩长达1分钟。在乙酰基循环完全代谢时,乙二醇sis的最终产物是丙酮酸和ATP分子。

在缺氧的情况下,乙酰辅酶A分子会形成乳酸:丙酮酸+NADH<--->乳酸+NAD+。

乳酸被释放到血液中,被肝脏和肾脏吸收,再转化为葡萄糖并释放回循环。葡萄糖会再次被磷酸化,成为制造 ATP的原料。这种乳酸循环被称为Cori循环。

当产生的乳酸多到无法被吸收和分解的时候,肌肉力量就会下降,这个时候就会产生一个体力上疲劳的拐点。这需要一个时间,在主观上会影响我们对于体力消耗的感觉。

人挑担子的时候,消耗的能量来自于两个部分,一部分是肌肉的反复收缩做功,这一部分主要是腿部的运动。挑重物前进的时候,这部分运动是无法避免的。

还有一个,就是要维持担子的平衡,需要一部分肌肉处于持续的紧张状态。

在负担相同重物的时候,省力与否主要取决于这一部分。

我们抱着一个物体上楼,之所以比背着一个物体上楼要消耗更多的体力,就是因为在胸前固定住物体对抗地球引力,需要依靠手臂肌肉的收缩。而背在背后,大部分的重量通过脊柱以及骨骼传递到地面,只需要较少的肌肉力量。

如果没有办法背负物体,把重物顶在头顶上,也是一种减少体力消耗的办法,因为这个时候重量也是通过脊柱、骨骼传递到地面的。

从力学的角度上来看,人体挑担是否省力,取决于2个问题:推动力是否通过重心;维持系统平衡的力矩是否最小。

挑担的过程中,如果重量是一样的,那么剩下来体力的消耗多少,就取决于肌肉的运动幅度,以及肌肉维持平衡时所需要的张力。

人向前走动或者跑动的时候,对身体进行推动的着力点是在腰部。

挑担的时候,整体的重心距离这个着力点越近,控制所需要的力臂越短,人体越容易保持平衡,肌肉用力就越小,体力消耗也越小。

我们可以看到挑担人随着走路的节奏,扁担有规律的起伏,就是为了让重心在y轴上减少运动幅度。这是节省体力的一个重要措施。

所以,挑担用的扁担绝对不能是刚性的,必须是有弹性。尤其是当负重较大的时候,这个弹性的起伏对于节省体力非常关键。这主要取决于挑担人的熟练程度。

那么接下来的问题:一个熟练的挑担人,到底应该用长绳子呢?还是应该用短绳子?

挑担人的重量是不变的,人体的重心也是不变的。但是加上来负重以后,总的重心就会改变。而这个具体的改变情况,既取决于负重所处的位置,还取决于负重的重量。

所以,挑担的时候,到底是绳子长轻松,还是绳子短轻松,取决于被挑物体的重量。

一般的情况下,被挑的物体的重心应该落在腰部以下,这样总的重心才能接近于腰部。

所以,绳子的长度最少应该垂到腰部。物体越重,绳的长度就应该相应缩短。物体越轻,绳子的长度就越长,但是最长不能让物体碰到地面。

最后,把人体因为肌肉运动而形成的乳酸堆积情况结合在这个问题里面,最终的答案是这样的。

短时间挑担,绳子的长短对人的体力影响不大(主观感受)。这个时候影响最大的是挑担者的熟练程度以及扁担弹性。

长时间挑担,合适的绳子长度会减少肌肉张力引起的乳酸堆积,延长疲劳拐点的产生。

相关文章