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趣味物理学
1.4.2 2.2 步行和奔跑
2.2 步行和奔跑

绝大多数人对于自己每天都要重复成千上万次的动作,一定都认为了如指掌。事实上,这种自以为是的想法并不十分正确。就拿最简单的步行和奔跑就可以证明。的确,对我们来说,应该没有什么动作比对这两种动作更加熟悉的了!可是,倘若找一些人让他们解释一下,我们的身体是如何在步行和奔跑的时候协调移动的,这两种运动之间到底有何不同,估计没多少人能准确回答。那么,现在我们先来听听生理学家如何解释这两种运动的。我想下面这段材料对于你来说,一定是很新颖、很具吸引力的。

图2-5 人在步行时,身体的一连串动作

假定一个人正单脚独站,进一步假定他用右脚站立。接着,假定他开始提起左脚脚跟,同时前倾身体[1]。注意,这时他的重力线自然要偏出右脚的底面范围,他很快就要向前方跌倒;但是这个跌倒动作尚未发生,他原本抬起悬空的左脚迅速踏在前方的地面上,于是重力线又落到了双脚之间的区域。随即,原来已经失衡的身体也恢复了平衡,这个人也随着向前迈了一步。

就这样,这个人就可以保持这个有点费力的姿态。如果他要继续前进,那他就要重复做前倾身体,将重心前移,移出双脚支撑的区域,接着右脚抬起悬空,就在身体要跌倒前,右脚向前迈出踏在地上,于是重心又回落在双脚之间的区域——他右脚向前走了一步。如此往复,他就一步步地走了下去。很显然,步行的动作实际上由一连串前倾、跌倒、抬脚、迈出、踏下的动作不断重复组成,简单地说就是把原来悬空留在后面的脚,移到前面去维持身体的平衡罢了。

图2-6 步行时两只脚的动作图解。图中上面的A线表示一只脚,下面的B线表示另一只脚。直线表示脚与地面相接触的时间,而弧线呢,表示脚离开地面的时间。从图中可知,在时间a段内,两只脚都与地面接触;时间b段内,A脚离开地面,B脚继续与地面接触;时间c段内,双脚又同时与地面接触;而时间d段呢,B脚离地,而A脚继续与地面接触。如果步行的速度越快,a、c段所花的时间就越短(请比较图2-8的奔跑图解)

图2-7 人在奔跑时,身体的一连串动作(请注意奔跑时会出现双脚同时离地的瞬间)

让我们进一步深入分析这个问题。假定这个人已经走出了第一步,这时他的右脚脚尖还未离开地面,而他的左脚呢,已经踏到了前面的地面。只要他迈出的步子不那么小,他的右脚脚跟应该离开地面,因为只有提起脚跟,前倾的人体不至于失去平衡而跌倒。而左脚呢,当然是脚跟首先着地。当整个左脚脚底完全踏到地面时,右脚也随之完全悬空,与此同时,原本略微弯曲的左脚膝部,因为大腿骨三头肌的收缩而随之伸直了,并在瞬间处于直立状态。这时,原本半弯曲的右脚就可以提起迈步向前移动了,随着身体的前倾,恰好使迈出的右脚又踏在地面上。

紧接着,左脚脚跟离地只有脚趾与地面接触,很快脚趾也离开了地面,整个左脚就全部悬空。如此循环往复前面的动作,就是一连串的步行动作了。

相比于步行,奔跑的不同之处在于,因肌肉的突然收缩,原本站立的脚被强劲地弹起,在一瞬间使身体完全脱离地面,抛向前方。很快身体又向下回落,与此同时,另外一只脚已踏地支撑住回落到地面的身体,这只脚随着身体弹起悬空时就迅速地迈到了前方。因此,奔跑的动作简单地说是一连串的双脚下交替飞跃的连续动作。

图2-8 奔跑时两只脚的运动图解。在奔跑时,很多时候两只脚都离开了地面,悬空了,从图中可以看出是b、d、f时段。且没有双脚同时着地的时段。这也是步行与奔跑的不同之处

人们曾经认为在平地上步行几乎不用消耗能量,这个认识不正确:其实步行的人每走一步都要将重心都提高几厘米。通过计算可以得出,步行的人在平路上所做的功,大约相当于把步行者的身体提高至与所走距离相等的高度时,所做的功的十五分之一。