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为什么通过同样的距离跑步比骑自行车费劲?

长跑1千米我们觉得耗尽了浑身力气,如果改骑自行车的话,却觉得是一件轻而易举的事。这两种运动的最后结果都是将人体迁移了同样距离,所耗的能量也都是体能(主要靠两条腿)。自行车并没有做什么功,反而增加了运动者的附带质量,但我们感觉跑步比骑自行车分明要费劲,这究竟是为什么呢?

有人说,在水平地面上沿相同路线骑自行车与跑步,在这两种情况下“迁移质量”所需做的总功(或者说所耗的能)是相同的。这种说法其实是不靠谱的。因为所做的功并不在于迁移质量,而在于迁移过程中克服物理学家们所称的“耗散力”,诸如风和摩擦等带来的阻力。

为了弄明白骑自行车与跑步的物理含义,我们不妨作两种半定量的估算。测量表明,使用一辆相当轻便的自行车匀速骑行,必须用大约1牛的力来克服轮轴的摩擦,用约2牛的力来克服轮胎的滚动摩擦。车速为8千米/时,风的阻力大约也为1牛。于是所需克服这些“耗散力”的总力大约是4牛。骑行1千米,所做的总功约需4000焦。假如车速增加1倍(即16千米/时),那么风的阻力会增大4倍,所需做的总功约为7000焦。假如车速增加2倍(即24千米/时),那么风的阻力会增大到9牛,骑行1千米所需做的总功约为12 000焦。

跑步的情况更复杂一些,至少包含两种主要的运动:人体的水平运动,以及每跑一步运动者质心的垂直跳动。正是后者耗去了跑步者的大量能量。对体重70千克的运动者而言,若其跨步时向上跳动约15厘米,则每跨一步耗去的能量约为100焦。这份能量最终在脚踩地面时转换成热能和声能。若以每千米跨925步估算,那么脚撞击地面所花去的总能量约为92 500焦。与上述骑自行车所花去的总能量相比,答案是显然的。

我们还可以从另一个角度进行考察,即两种运动所做的功都来自运动员的有氧呼吸消耗。根据运动生理学者的测算,跑步消耗约为260 000焦/千米,几乎是上述克服外界“耗散力”所花去能量的3倍!这其中的额外能量是被用于克服身体内的“摩擦力”,诸如跑步时的排汗,就表明机体产生了大量的热量,所以跑步者会觉得越跑越热,甚至大汗淋漓。而骑自行车时,这一部分能量消耗就很少。若以8千米/时的速率骑车,那么骑车者每分钟大约蹬踏板32次(周),这就同一般散步者的跨步频率接近,骑车者除腿部周期性踩踏板外,上身基本没运动。若车况与路况均较好的话,其有氧呼吸的消耗只比步行者略多,而连跑步消耗的1/10都不到。

上述估算和实测表明,通过相同的距离,骑自行车确实要比跑步省力得多。