人体内存在“弹簧”吗?

发布网友发布时间：2022-04-23 14:02

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热心网友时间：2023-09-09 22:29

人跑步时，人体重心会上下起伏，同时因为地面作用力与支撑腿的方向大致相同，所以人体又会时而减速时而加速：前脚落地时，支撑力通过下肢使人体减速；人体重心前移越过支撑点之后，支撑力又会使人体重新加速。由此看来，跑步时能量的使用是很不“经济”的，好比司机在公路上行车时一会儿踩油门一会儿踩刹车一样，结果使发动机给车辆的动能大部分变成了无用的热量。

幸好，实际情况还不至于如此糟糕。曾经有两位意大利科学家专门研究过这个问题，他们发现，跑步者的实际耗氧量只有理论计算值的一半左右。科学家认为，若是把跑步者比作弹跳的皮球，也许更加符合实际情况。

皮球落地时速度逐渐下降到零，同时产生一定的变形。尽管皮球失去了所有的动能，但是变形却使它贮存了相当的弹性势能，此后弹性力会使皮球恢复原来的形状并跳离地面。随着弹性势能的消失，皮球又重新获得了原先的大部分动能，只有少许能量无可避免地变成了热能。所以，皮球的弹跳包含了从动能到弹性势能然后再回复为动能的两次能量转换过程。如果没有摩擦力，理想的皮球无需补充能量也能永远弹跳下去。

如果把人体比作皮球，那么人体的“弹簧”究竟是什么呢？科学家们认为，腿部的肌肉以及连接肌肉和骨骼的肌键就是一种弹簧。各部分肌肉总是和相连的肌腱承受同样的拉力，两者之中伸长较多者贮存的能量也较多。有两位英国科学家经过计算得出了这样的结论：肌纤维较长而肌腱较短时，肌肉贮存的能量要比肌腱为多；肌纤维较短而肌腱较长时，情况就刚好相反。

肌肉和肌腱具有弹簧的功能，它们在受到张力作用时伸长，张力消失时又恢复原状。科学家们曾经对跑步者作过若干研究。他们根据肌电流的变化确定人跨步时各部分肌肉的发力情况，又从关节的转动角度计算出肌肉和肌腱的伸长量，最后得到结论是：位于小腿的腓肠肌和比目鱼肌以及与它们相连的跟腱作用最大。这些肌肉由长度仅有20～60毫米的肌纤维组成，而跟腱全长约为370毫米，因此可以认为，人体内部最重要的“弹簧”就是跟腱。

精确的实验表明，拉伸肌腱所耗用的能量之中，约有93％可在弹性恢复过程中重新释放出来。这就是说，肌腱的弹性可与优质橡胶相比拟。肌腱不仅弹性优良，能量贮存密度也与优质橡胶相近。跑步过程中，支撑腿受到的作用力在人体重新开始加速的瞬间达到最大值。据测算，人体以每秒4．5米的中等速度奔跑时，地面最大作用力约为人体重量的2．8倍。而跟腱承受的最大张力大约等于人体重量的7倍。具体地说，如果跑步者体重70千克，跟腱张力便将达到480千克！假定跟腱与已经做过试验的其他动物肌腱性质相同，那么它的伸长量应在5％上下，贮存的弹性势能约为35焦耳。

英国一个由动物学家和外科医生组成的研究小组又用实验证实，人体内部还存在着另一个重要的“弹簧”，这就是通常称之为“足弓”的脚底拱形结构。研究人员起初让一名受试者站立不动，全身重量大部分由左脚支持，右脚则仅仅与地面保持接触，此后又让这位受试者跑步经过同一地点。他们将这两种情况下拍摄的照片作了相互对比，结果发现受试者在跑步时踝关节离地面的高度比站立不动时降低了10毫米。很明显，这是因为脚掌受到的作用力“压扁”了足弓，而维持足弓正常形状的那些韧带也必然产生了一定的伸长。

这些研究成果对于改进田径鞋的制作，从而提高运动员的跑步速度等有着重要意义。