人们是如何行动的【DOC精选】.docVIP

人们是如何行动的？ 小红猪小分队 发表于 2010-03-04 原文 Sonia，缪瑾?? 校对：桔子? 小红花等级：3.5 对于人体构造这一问题的研究已历时数个世纪，然而到目前为止仍有为数不少尚未解开之谜。Roland Ennos说，想要揭开这些未解之谜的神秘面纱，关键在于是否问对了问题，并能觉察到那些常规答案背后的东西。 看完这一段后，请放下你手中的杂志，四处走动一下。首先，像平常那样行走，手臂自然地挥动就行。接着，试着在行走的时候把手臂固定不动。最后，同手同脚地行走，手和脚同时往前或是朝后，犹如钟摆摇动那样。不用理会过路人会向你投来怎样异样的眼光，毕竟，你是为了探索运动力学才这么做的。 如果你进行了上面这个小小的实验的话，你可能会发现，按照第二种和第三种方式去行走会非常困难。为什么呢？正如生物力学中的许多重要问题的答案那样，这一问题的答案也远比你想象中的复杂得多。大多数生物物理学的研究往往着眼于如何借助物理学家的参与，来推动生物学家们对细胞运动的理解(详见2009年7月《物理世界》特刊)。从许多方面来看，这也并不足为奇。探究微观及纳米层面上微粒的运动形式时，精湛的生物物理学技术常常是必不可少的，一些代谢过程甚至可能受到量子效应的影响。 较这些微观层面上的东西而言，人们可能自认为已经对各个器官以及整个生物有机体，尤其是人体，是如何行动的这一问题有了全然的了解。毕竟在宏观层面上的运动和力，相对而言还是比较容易直接进行测量的，它们符合的是经典物理学的规律。而且，人体解剖已有成百上千年的历史，并一直沿用至今，而广受关注的人类基因组测序项目不过只有十年的历史。然而使人感到惊奇的是，生物力学研究——这个汇聚了生物学和物理学专家们的领域——不断揭示出有关我们自身的许多秘密，填补了迄今为止我们甚至不曾料想到的一些问题的空白。 想要了解我们的身体究竟是怎样行动的，关键在于转变我们的思路：要用新的眼光来看待这个世界，敢于提出并解答新出现的奇怪问题。例如，我们在行走的时候，手臂为什么是一前一后挥舞着的呢？我们的牙齿上表面又为什么是锯齿状的？我们为什么要咀嚼食物呢？指甲断裂时，为何不是纵向的？我们又为什么会有指纹？这些只是生物力学研究人员近年来提出的一系列问题中的一部分。这些问题的答案看似显而易见，甚至无足轻重，但进一步深入的思考并加以实验验证后显示，我们的世界要远比我们之前以为的精彩得多。 ? 我们为何要挥舞手臂？ 行走的基本过程已被公众所了解。每走一步，我们都会以那条相对固定的直立腿为支点，另一条腿向前跨出一步，整个行走过程犹如钟摆摇晃那样，身体亦跟着上下移动。行走所需的能量被减到最低，因为在行走的过程中，不断进行着动能和重力势能的转化：开始迈开一步的时候，身体先往上提升，此时脚步减速，完成了前半步，而后，身体又下沉，此时脚步加速，一步才算完整地完成了。在脚步与地面发生碰擦的时候，有一小部分能量不可避免地会以热量以及声音的形式流失，但基本上说来，我们还是可以确保行走过程的连续进行，只需要脚稍稍推离地面，行走就可以自如地进行。 关手臂什么事呢？如此看来，挥动手臂不是白白地消耗能量吗？美国密歇根大学医用工程力学系的Steven Collins和他的同事曾提出了这个问题(就在离今不久的2009年)。他们轻而易举地提出了两种假设。一种假设是这样的，手臂的挥舞有助于减少行走过程中人体重心垂直方向的移动，进而减小脚尖处的动力作用。另一种假设是，手臂的挥动可以帮助抑制腿部的惯性作用，以防身体在垂直轴方向上产生力矩。 要想检验上述两种假设的准确性，就要用到我在本文开头部分提出的那三种行走方式：手臂自然地挥动；手臂保持固定不动，阻止其前后摆动；同手同脚地行走。Collins团队的研究人员对十个对象的行走过程进行了拍摄，并同时测算了每一种行走方式的耗氧量，还有为此特别设计的，安装在地板下方的三维测力板系统(force plates)则可用来测量在脚尖处产生的动力作用。这套系统通过使用电子变形测量器来测量各个维度下产生的瞬间作用力，并能捕捉到身体在垂直轴方向上发生偏转的时刻。 三维测力板 对耗氧量的测试结果显示，行走时不挥动手臂要比正常行走自然地挥动手臂多消耗10%的能量，而同手同脚地行走则要多消耗26%的能量。下一步轮到解释其中的原因了。对行走过程的拍摄没有显示出三种行走方式下身体和腿部运动的任何差异，但测力板记录的数据则显示，当三种行走方式中受力一致时，不挥动手臂行走时在身体惯性轴方向上产生的力矩是正常行走时的两倍大，而同手同脚行走则将产生三倍大的力矩。因此很明显，走路时挥动手臂可以降低产生的力矩，并可抵消腿部的惯性作用力，从而减少行走过程中消耗的能量和膝盖处受到的扭转力。 ? 我们的牙齿上表面为何崎岖不平？ 关于吃东西过程中的力学原理，则是另一个需要