既然任何器械都不能省功,那麼為什麼步行比騎車要累?

自行車不會提供動力和能量,它是怎麼做到既省時又省力的呢?

— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —

首更:

獲得回答瞬間豁然開朗0.0 謝謝各位大豬的熱心回答

本人是大一物理渣渣,造化還不夠=.= 還需各位大神的提拔(鞠躬


走路的目的是向前移動(水平移動)。 而人體的結構決定了向前移動時必須同時抬高重心(抬腿),才能進行向前的水平移動,抬高重心克服重力必須消耗功,這部分功是無用功。

自行車最巧妙的地方就是將人消耗的功幾乎全部轉化成了向前的移動,無用功幾乎可以忽略。

——————————————————————

當然也要考慮滾動摩擦和靜摩擦(原文為:滑動摩擦,不妥)的區別,自行車是滾動摩擦,走路是滑動摩擦,滾動摩擦係數遠小於靜摩擦,這方面初中物理講過。

到底上述兩個因素對於省功各站多大比例,有沒有第三個省功因素,把這個問題講明白,這夠一個力學系碩士完成一篇碩士論文了。

———————————————————————

摩擦學是一門較為邊緣的學科,現在仍不是嚴格意義上的物理學範疇,比如摩擦係數的界定,很難通過公式推導計算,大多靠測量。關於『滾動摩擦,滑動摩擦,靜摩擦』,希望有人開個貼專門的討論。


有很多人從做功的角度分析這個問題,他們提出的解釋雖然沒有錯,但這應該並不是唯一的因素。

說一個例子: 你就算站著不動還會累呢,這是為什麼呢?

因為僅僅在靜止狀態下保持肌肉緊張也需要消耗能量。換句話說,此時肌肉的工作效率是0,雖然沒做功,但還是在消耗能量。就好比你把一個通電的馬達強行卡住,雖然它不轉了,但會劇烈發熱,然後繼續消耗能量。

所以說,要考慮人走路消耗多少能量,不僅要考慮需要做多少功,還要考慮效率是多少,或者說要發多少熱。走路的時候,可能後者是能量消耗的主要來源,而跑步的時候前者是主要來源。

因此,自行車比走路省力的一個原因應該是:人騎自行車的時候是坐著的…


機械不省功的意思是機械的輸出功不會比輸入(蹬車)多。

但是人本身走路比較浪費功(重心升降),使用自行車把這部分功省下來了。


總的來說,兩者各有千秋。不一定誰比誰更省力。

走路和自行車驅動的方式不是一樣的。走路靠肌肉帶動骨骼繞關節軸轉動來直接獲得向前的動力。在這個過程中腿部肌肉一直佔主導地位。腰部貢獻不是很大。而且這個是一個脈衝式的發力過程,不是均勻的做功,所以會有一個疲勞感,但是如果走的很慢也不會感覺到累。

自行車的騎行發力相對於走路會比較均勻,(排除那些特殊的情況),而且有座位,大腿、小腿、腰部,包括肩部手臂,都在參與運動。所以在正常騎的過程中會省力。

那也就是說走路的瞬時功率是大於騎車。但是總功沒有騎車來的多。

當然你可以嘗試一下連續長上坡,當你騎車上去的時候除了你自己的體重,還要額外多一個車重。這個情況相比走路就會要費力很多。當然如果車變速了,你也可以省力的上坡,但是速度和走路幾乎沒有什麼兩樣。

然後走路與騎車還有一些不同就是走路的廢功做的也比較多,比如維持身體平衡的那些不自主的肌肉活動,個人走路習慣的不同,有人有墊腳的習慣,有人有彎腿的習慣,等等。但是在自行車上面這些就被束縛住了,兩個車輪的旋轉為平衡貢獻了一部分,你的活動也不會變得很隨意和自由了,然後力也就從這裡省掉了。

那也就是說這個器械越能夠讓你均勻發力,不做無用功。那也就越讓你感覺省力,畢竟脈衝式的發力肌肉會很快就疲勞的。


省力不省功,初中物理老師一定跟你說過無數遍這句話。

以下轉載自某本初中物理輔導書:

(1)使用機械時,機械所做的功,都等於不用機械而直接用手所做的功,也就是使用任何機械都不省功,在歷史上被譽為機械功的黃金定律.

(2)使用任何機械都不省功,為什麼人們還要使用機械呢?這是因為使用機械可以給人們帶來方便,例如:使用省力槓桿可以省力;使用等臂槓桿可以測質量;使用定滑輪可以改變用力的方向等;使用費力槓桿可以省距離. 不過,根據機械功原理:省力的機械一定費距離;省距離的機械則一定費力.


假設忽略一切摩擦,重心什麼的

簡化為人(質點)利用一個自行車(機械)進行勻速恆定功率運動

自行車不省功,但顯然省力費距離

相同功耗下距離走的更遠,恆力F更小,但這兩點正是你所需要的,所以相同路程功耗更小,所以更輕鬆


你覺得累是由於跑步的時候往複運動周期短(說白了就是腿屈伸的快),體內有氧呼吸來不及發揮作用,無氧呼吸佔據主要地位,乳酸大量積累,你就覺得「酸」了。而自行車等運動方式由於阻力相對小,加之往複運動周期長,可以相對維持一個以有氧呼吸為主的運動頻率,減少乳酸積累


利益相關:一年騎自行車近一萬公里

機械確實不能幫你做功,但可以提高機械效率,博爾特跑步的功率絕對是遠遠大於我這種菜腿騎車的功率,但博爾特最高瞬間速度43.9kph,而我就試過60.6kph(現在不行了)

機械不能幫你做功,但能在某些情況下提高你的機械效率,比如你體內消耗能量的功率是1千瓦,用來跑步的有用功功率可能是100瓦,用來騎車的有用功功率可能是800瓦。

自行車相比人腿還有個優點就是棘輪機構,做功時腿依靠機械間接對地面施力以做功,停止做功時地面與腿的聯繫分開,這樣能保持動能的存量,即使停止做功也能繼續滑行,跑步時人的腿與地面一直是直接相互作用,一旦停止做功腿就會不得不停下來,這也是同樣路程騎車比走路輕鬆的原因。


記得高中的時候和同學去打水,水房離著教學樓挺遠的,我們教室還在在三樓。那天是他把水抗到教學樓下,然後我抗到教室。一邊上樓他一邊抱怨我比他輕鬆。然後我默默的回了一句:我做的功比你多那麼多我都沒說累,你還累什麼.....


因為輪子呀


反對排名第一的解釋。

先說結論:人體抬腳,靜摩擦力做正功,落腳,靜摩擦力做負功。人體所付出的能量始終無法積累起來。

這個問題我仔細考慮過。

上面有答主提到了一點,就是重心在動,但我覺得這個影響不是很大。嚴格講騎自行車重心也是在往複移動中。

主要原因是因為人體在走路或者跑步時,始終是處於一個加速減速的循環中!

當一隻腳抬起來,另外一隻腳發力,此時人體加速度>0,身體往前移動。

而當懸空腳落地時,人體受到落地腳所帶來的靜摩擦力,此時人體減速,加速度<0,身體會把很大一部分動能丟失,然後再重複上一個步驟。

所謂的滾動摩擦力小於滑動摩擦力,這就是瞎扯了,人在走路時除非走在特別滑的路面,不然沒什麼滑動摩擦力。滑動摩擦?人體也有,就在腳踝和膝蓋,然而關節的神奇構造使得摩擦力非常小,比自行車高明多了。

總結一下就是,人體抬腳,靜摩擦力做正功,落腳,靜摩擦力做負功。人體所付出的能量始終無法積累起來。

自行車和輪滑為何省力?那是因為人體所做功基本都轉化成了向前的動能,而消耗動能的僅僅是風阻和輪軸的摩擦力。而走路,消耗動能的主要是自身的靜摩擦。


任何器械都不能省功

但是不同的機械,要浪費的能量可不同啊!!!!


我突然想起來了高中選修體育課當時我選的足球。那個老師會讓我們進行一項腿部力量訓練,具體為:後背靠牆,大腿與地面平行,小腿垂直於地面。彷彿坐在空氣一樣。。

估計我現在這麼「坐」個3分鐘轉天就沒法走路了。


正好以前思考過這個問題。誠然使用機械不能省功,但是走路和騎車要消耗的無用功不同,騎車的機械效率遠高於走路,體現在以下好幾方面:

  1. 走路時要克服身體重心的上下起伏做無用功。邁開腿時重心下降,腿在交替的一瞬間重心上升。試想一下,人體重好幾十公斤,把這幾十公斤的肉一分鐘舉起落下舉起落下數十次,這得克服重力做多少功啊,而這一部分的功卻對你的前進毫無作用。如果是跑步的話,你重心起伏的幅度就更大了,頻率也會更快,相應克服重力的無用功也就更大得多。是不是感覺跑步比走路只快了三四倍卻要累不止三四倍?這也是主要原因之一。
  2. 走路時擺動雙腿做功效率低。走路的時候,你的身體要把一條十幾公斤的腿提離地面,向前移動幾十厘米後落地,緊接著又要提起另一條腿並邁向前。提腿要克服重力做無用功不說,而且邁左腿和邁右腿這兩個動作是相互獨立的。騎自行車則不然,你左腳把踏板踩下去,右踏板就會抬著你的右腳轉上來,也就是說你一條腿下壓(重力對其做功)會協助另一條腿上抬(克服重力做功),機械效率自然高了很多。
  3. 走路時雙腿有加減速過程。在你的腳與地面接觸的時候,它是與地面相對靜止的;當你抬腿邁步時,你的腿由靜止開始運動,會有一個加速度,而且根據牛頓第二定律,加速度越大,你的身體帶動你的腿運動的力就越大,做功也要越多。但是當你的腳再次著地時,它的速度會迅速降為0,腿部的動能轉化成了熱能耗散掉了。走路的過程雙腿持續加速減速,做了許多無用功。而自行車的機械構造使得你基本不再會經歷步行時腿部的加減速動作,大大降低了這一部分的無用功。
  4. 車座和車把的存在也降低了身體的無用功。一方面,騎車不再需要像走路一樣擺臂;另一方面,車把和車座固定了人的軀幹,騎車動腿即可,軀幹上的許多肌肉可以基本保持放鬆,這些骨骼肌收縮所做的無用功會大大減少。


步行的時候人的身體重心是在上下起伏做波浪狀態運動而且下落的能量沒有辦法回收,跑步時這種能量的浪費將更為嚴重。而騎車時身體重心基本保持平穩向前運動,少了能量的浪費,所以步行要比騎車要累。


因為人類是兩驅全地形。

而自行車是單驅純公路。

在公路上當然效率沒自行車高,

你一邊騎車一邊爬山,游泳,爬樹,試試。。。。


分頁阅读: 1 2