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人那麽大一個,為什麽人體的持續輸出功率才那麽低,才一兩百瓦?

2021-11-05科學

生物體大多具有力量大功率小的特點,一匹馬的功率通常是1馬力左右,約等於735瓦,但一匹馬的拉力明顯大於一輛10馬力的二輪摩托車,甚至未必比一輛100馬力的轎車小,很奇怪吧?

首先,馬力(horse power)不是力,而是功率的單位之一,功率是力與速度的純量乘積。理論上某一物體在某一功率下運動足夠慢力量就可以非常大,在力量足夠小的情況下運動可以非常快,但是受限於很多原因,上述情況很難實作。

對於機器來說,擅長速度而不擅長力量。內燃機必須不低於一定轉速才能維持正常運轉,稱為怠速,而怠速狀態下,內燃機的扭矩也很小,稍微加大負載就會熄火停轉,想要驅動負載,需要進一步拉高轉速。電動機確實具有零起特性,但起轉瞬間也不能達到最大扭矩,外界較大阻力,就會將轉子卡死,稱為堵轉,堵轉會產生很大熱量,容易燒毀電機。為了彌補機器力量的不足,人們發明了變速箱、減速機、液力變矩器等結構,幫助機器在速度和力量上有更大的延伸空間。

對於生物體來說,擅長力量而不擅長速度。植物的根系枝幹生長足以將堅固的鋼筋混凝土穿透脹裂,但這需要幾年的時間,植物生長的功率怎麽算?動物和機器相比,實作同樣的力量,動物的功率只有機器的幾十分之一。這大概是由於肌肉本身不需要運轉,就可以持續出力。另外,肢體發力相對於旋轉的機械結構,有更加靈活的發力方式。一輛汽車的驅動輪只能借助接觸面的摩擦力產生與接觸面平行的牽重力,而一個勞動經驗豐富的人(比如纖夫)在需要更大拉力時可以調整動作,把部份力量用在壓緊腳下的接觸面,產生類似於頂門杠的效果。

然而,肌肉的運動需要大量耗氧,而心肺的供氧速率明顯慢於劇烈運動的耗氧速率,因此劇烈運動也稱為無氧運動。無氧運動的等效功率較大,但只能持續較短時間,就會導致身體的嚴重疲勞而無法繼續進行。如果生物體希望長時間出力,就要降低功率,改為有氧運動。除此之外,運動過程中,生物體需要克服重力維持可以讓其運動的基礎姿態,機器通常不需要。一個人想跑步,首先要保持自己能站得住,暈倒的狀態下是不可能跑步的。正常情況下,一輛汽車停車拉手剎熄火以後也不會原地翻車,更不會散架,因為維持車輛四輪著地狀態是本身的結構使然,不需要什麽額外的力量。正因為此,在較好的天氣和路況條件下,以同樣的速度完成同樣的距離,騎單車要明顯比跑步輕松。

相對於體型來說,生物體的功率確實較小,這也許是因為生物體必須要持續維持生命。一台機器,不用的時候就熄火斷電,用的時候再啟動,一匹馬就算睡覺的時候也要呼吸,也要消化,也要持續消耗能量,這本身也是功率。為了維持基本的生命活動,生物體需要豐富的營養儲備以便在一定程度上應對饑餓、寒冷和疾病等情況,因此糖原、脂肪、蛋白質等物質,占據了生物體較大部份的質素(當然占比最多的還是水)。

以上只是一些情況的簡單分析。生物體和機器不容易直接比較速度和力量。總體上,在功率差不多的情況下,機器更擅長速度,生物體更擅長力量。