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人那么大一个,为什么人体的持续输出功率才那么低,才一两百瓦?

2021-11-05科学

生物体大多具有力量大功率小的特点,一匹马的功率通常是1马力左右,约等于735瓦,但一匹马的拉力明显大于一辆10马力的二轮摩托车,甚至未必比一辆100马力的轿车小,很奇怪吧?

首先,马力(horse power)不是力,而是功率的单位之一,功率是力与速度的标量乘积。理论上某一物体在某一功率下运动足够慢力量就可以非常大,在力量足够小的情况下运动可以非常快,但是受限于很多原因,上述情况很难实现。

对于机器来说,擅长速度而不擅长力量。内燃机必须不低于一定转速才能维持正常运转,称为怠速,而怠速状态下,内燃机的扭矩也很小,稍微加大负载就会熄火停转,想要驱动负载,需要进一步拉高转速。电动机确实具有零起特性,但起转瞬间也不能达到最大扭矩,外界较大阻力,就会将转子卡死,称为堵转,堵转会产生很大热量,容易烧毁电机。为了弥补机器力量的不足,人们发明了变速箱、减速机、液力变矩器等结构,帮助机器在速度和力量上有更大的延伸空间。

对于生物体来说,擅长力量而不擅长速度。植物的根系枝干生长足以将坚固的钢筋混凝土穿透胀裂,但这需要几年的时间,植物生长的功率怎么算?动物和机器相比,实现同样的力量,动物的功率只有机器的几十分之一。这大概是由于肌肉本身不需要运转,就可以持续出力。另外,肢体发力相对于旋转的机械结构,有更加灵活的发力方式。一辆汽车的驱动轮只能借助接触面的摩擦力产生与接触面平行的牵引力,而一个劳动经验丰富的人(比如纤夫)在需要更大拉力时可以调整动作,把部分力量用在压紧脚下的接触面,产生类似于顶门杠的效果。

然而,肌肉的运动需要大量耗氧,而心肺的供氧速率明显慢于剧烈运动的耗氧速率,因此剧烈运动也称为无氧运动。无氧运动的等效功率较大,但只能持续较短时间,就会导致身体的严重疲劳而无法继续进行。如果生物体希望长时间出力,就要降低功率,改为有氧运动。除此之外,运动过程中,生物体需要克服重力维持可以让其运动的基础姿态,机器通常不需要。一个人想跑步,首先要保持自己能站得住,晕倒的状态下是不可能跑步的。正常情况下,一辆汽车停车拉手刹熄火以后也不会原地翻车,更不会散架,因为维持车辆四轮着地状态是本身的结构使然,不需要什么额外的力量。正因为此,在较好的天气和路况条件下,以同样的速度完成同样的距离,骑自行车要明显比跑步轻松。

相对于体型来说,生物体的功率确实较小,这也许是因为生物体必须要持续维持生命。一台机器,不用的时候就熄火断电,用的时候再启动,一匹马就算睡觉的时候也要呼吸,也要消化,也要持续消耗能量,这本身也是功率。为了维持基本的生命活动,生物体需要丰富的营养储备以便在一定程度上应对饥饿、寒冷和疾病等情况,因此糖原、脂肪、蛋白质等物质,占据了生物体较大部分的质量(当然占比最多的还是水)。

以上只是一些情况的简单分析。生物体和机器不容易直接比较速度和力量。总体上,在功率差不多的情况下,机器更擅长速度,生物体更擅长力量。