科普你走路的样子很物理

　　生活中处处有物理，物理中处处有生活。今天老郭要和您聊聊生活中最常见的一件事——走路背后的物理学原理。
　　一、走路运动的合成与分解
　　走路是每一个健康人都会的最基本动作了，儿童在1岁半之后基本上都能学会自然走路，甩开双臂，迈开步子，这是我们对走路的最基本认识。借助摄像机，现在可以很容易对走路的动作进行记录和动作分解，具体的走路分解动作这里不提供了，大家自己找个视频慢放一下就行。
　　物理学对运动的分析方法是把复杂的运动分解成很多简单运动的合成。在水平路面走直线的时候，人体的运动是一个合成运动，它包括：1、垂直方向上的起落；2、行进方向上的直线运动；3、身体左右的摆动；4、沿着身体竖直中轴线的旋转运动。
　　二、行进中的做功和能量转换
　　从行走运动分解中我们能看出，行进中4种运动方式，都涉及身体运动状态的改变，这就需要肌肉发力，改变其运动状态。用物理的语言来说就是，身体的某些部位在力的作用下移动了一段距离，做了功，而做功就要消耗能量。这就能解释，为什么走一定的距离之后，人会感觉到疲累。
　　很多体育专业的研究论文中都表明，通常情况下，人体以5Km/hr的速度行走就可以达到中等强度的锻炼标准，每天累计0.5小时的中等强度身体活动就足以为自身健康提供足够保障。走路中消耗的能量来自人体内储备的糖和脂肪等物质的氧化，从化学能变成让肌肉收缩和舒张的机械能，氧化后的产物会以二氧化碳及其它代谢产物排除体外，所以走路可以减体重。
　　三、地面对人脚的摩擦力做功了吗？
　　有人认为，人如果保持匀速直线运动，这个摩擦力就不做功，从另外一个角度来说，功等于力与位移的乘积，由于摩擦力作用的时候，脚的位置不变，所以摩擦力也没有做功。毫无疑问，摩擦力不做功的答案是正确的，只是这个解释不科学。
　　正确回答这个问题要从高中物理的质点模型过渡到大学物理的质点系模型。人在行走时，腿部肌肉不断收缩拉伸，质点间距时刻发生变化，则系统内部非保守力在做功，机械能增加，人体生物能转化为外部机械能。因此只把人的整体看做一个质点，来分析做功问题是不合理的。
　　换句话说，人在沿着直线方向上的匀速前进不能看做是质点的匀速直线运动，直接套用牛顿第一定律（惯性定律），认为在行走中前进方向的匀速直线运动不消耗能量是错误的。
　　四、地面对人脚的摩擦力起到什么作用？
　　还是要回到大学物理中的质点系模型，根据质点系动量定理，根据牛顿第二定律，质点系动量的改变量等于作用在质点系所有外力矢量和与时间的乘积（或者说质点系的动量对时间的微商等于作用在质点系上外力的矢量和）。
　　换句话说，只有外力的矢量和不为零，才能直接改变质点系的动量。也就是说，地面对人脚的摩擦力虽然不做功，但却给系统提供了冲量，改变了系统内各部分的动能配额，使重心（质心）获得了一个与摩擦力方向相同的加速度。
　　五、保持基本恒定的速度行走能节省体力
　　一般人在以平坦路面的直线行走都是采用步幅适中、步频稳定，没有特殊情况，不会有人迈大步（两腿间最大夹角超过30°）。从重心的移动来看，都有一个加速——减速的循环过程，没有一个人能做到重心的匀速直线运动。所以，不仅系统内要消耗能量，整体也要消耗能量。
　　但如果把人做为一个整体来看的时候，如果能尽量保持匀速直线运动，确实能节省一些能量，只是绝对的匀速直线运动，臣妾真的做不到。
　　六、行走中克服重力做功
　　行走运动的一个分解运动是重心有规律地起伏。这是因为，人走路的每一步都是重心以支撑腿与地面接触点为轴的一次滚动跌落，另外一条腿跟上接触地面的时候，重心就会滚动上升。重心克服重力滚动上升的能量来自生物能的转化。
　　这就能解释，为什么行走的时候如果想＂省力＂就不能迈大步？因为迈大步的时候，重心地起伏很大，需要克服重力做更多的功，消耗更多的能量。
　　七、行走的时候为什么要摆臂？
　　正常人走路都是自然摆臂，有的人把摆臂归结为从爬行到直立行走的进化遗留产物，这个解释是错误的，因为人两足行走和四足动物行走的姿态不一样。四足动物的身体旋转很小，而人在走路的时候，身体沿着竖直中轴线的转动比较大。
　　当走路的时候对侧的手和脚同时运动，系统的转动状态改变的矢量和就比较小，换句话说，就是消耗更少的能量，也就是我们说的省力。
　　除了沿着身体竖直中轴的一个转动，行走的时候，人体的重心还有一个左右的摆动。这一点在女性身上更明显，这是因为她们的骨盆比男性宽。所以，人的摆臂除了前后摆动，还会有一个向人体中线的摆动，这个摆动，也是女性要更明显些。
　　由于摆臂减少了转动过程中，系统转动状态的矢量和，也就是说，摆臂保持了人体在行进中在竖直方向上转动的状态，有利于平衡。而手臂向中线摆动，降低了质点系左右摆动的矢量和，换句话说就是减少了重心的左右摆动
　　可以说，摆臂不是人类进化过程的遗迹，它是省力的行走方式的重要组成部分。
　　结束语
　　弄清楚走路的物理规律可以帮助我们做许多事情，比如研发更灵活的两足行走机器人、研制可以帮助因为事故失去部分行走功能的人康复的机器、制定走路健身方案等等。
　　参考文献：
　　《摆臂方式对走路协调性及能量消耗的影响》浙江大学 教育学院体育系 李春蕾，周永平。
　　《关于人走路的若干物理问题分析》 东北师范大学物理学院 翟爽，候恕。
　　关于行走中的物理学就介绍到这里，我是头条号@郭哥聊科学，如果您喜欢这篇文章，欢迎您在评论区留言、点赞、转发、关注。