生活中處處有物理，物理中處處有生活。今天老郭要和您聊聊生活中最常見的一件事——走路背后的物理學(xué)原理。

走路是每一個(gè)健康人都會(huì)的最基本動(dòng)作了，兒童在1歲半之后基本上都能學(xué)會(huì)自然走路，甩開雙臂，邁開步子，這是我們對(duì)走路的最基本認(rèn)識(shí)。借助攝像機(jī)，現(xiàn)在可以很容易對(duì)走路的動(dòng)作進(jìn)行記錄和動(dòng)作分解，具體的走路分解動(dòng)作這里不提供了，大家自己找個(gè)視頻慢放一下就行。

物理學(xué)對(duì)運(yùn)動(dòng)的分析方法是把復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)分解成很多簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的合成。在水平路面走直線的時(shí)候，人體的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)合成運(yùn)動(dòng)，它包括：1、垂直方向上的起落；2、行進(jìn)方向上的直線運(yùn)動(dòng)；3、身體左右的擺動(dòng)；4、沿著身體豎直中軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

從行走運(yùn)動(dòng)分解中我們能看出，行進(jìn)中4種運(yùn)動(dòng)方式，都涉及身體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，這就需要肌肉發(fā)力，改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。用物理的語(yǔ)言來說就是，身體的某些部位在力的作用下移動(dòng)了一段距離，做了功，而做功就要消耗能量。這就能解釋，為什么走一定的距離之后，人會(huì)感覺到疲累。

很多體育專業(yè)的研究論文中都表明，通常情況下，人體以5Km/hr的速度行走就可以達(dá)到中等強(qiáng)度的鍛煉標(biāo)準(zhǔn)，每天累計(jì)0.5小時(shí)的中等強(qiáng)度身體活動(dòng)就足以為自身健康提供足夠保障。走路中消耗的能量來自人體內(nèi)儲(chǔ)備的糖和脂肪等物質(zhì)的氧化，從化學(xué)能變成讓肌肉收縮和舒張的機(jī)械能，氧化后的產(chǎn)物會(huì)以二氧化碳及其它代謝產(chǎn)物排除體外，所以走路可以減體重。

有人認(rèn)為，人如果保持勻速直線運(yùn)動(dòng)，這個(gè)摩擦力就不做功，從另外一個(gè)角度來說，功等于力與位移的乘積，由于摩擦力作用的時(shí)候，腳的位置不變，所以摩擦力也沒有做功。毫無疑問，摩擦力不做功的答案是正確的，只是這個(gè)解釋不科學(xué)。

正確回答這個(gè)問題要從高中物理的質(zhì)點(diǎn)模型過渡到大學(xué)物理的質(zhì)點(diǎn)系模型。人在行走時(shí)，腿部肌肉不斷收縮拉伸，質(zhì)點(diǎn)間距時(shí)刻發(fā)生變化，則系統(tǒng)內(nèi)部非保守力在做功，機(jī)械能增加，人體生物能轉(zhuǎn)化為外部機(jī)械能。因此只把人的整體看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，來分析做功問題是不合理的。

換句話說，人在沿著直線方向上的勻速前進(jìn)不能看做是質(zhì)點(diǎn)的勻速直線運(yùn)動(dòng)，直接套用牛頓第一定律（慣性定律），認(rèn)為在行走中前進(jìn)方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)不消耗能量是錯(cuò)誤的。

還是要回到大學(xué)物理中的質(zhì)點(diǎn)系模型，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量定理，根據(jù)牛頓第二定律，質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量的改變量等于作用在質(zhì)點(diǎn)系所有外力矢量和與時(shí)間的乘積（或者說質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的微商等于作用在質(zhì)點(diǎn)系上外力的矢量和）。

換句話說，只有外力的矢量和不為零，才能直接改變質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量。也就是說，地面對(duì)人腳的摩擦力雖然不做功，但卻給系統(tǒng)提供了沖量，改變了系統(tǒng)內(nèi)各部分的動(dòng)能配額，使重心（質(zhì)心）獲得了一個(gè)與摩擦力方向相同的加速度。

一般人在平坦路面的直線行走都是采用步幅適中、步頻穩(wěn)定，沒有特殊情況，不會(huì)有人邁大步（兩腿間最大夾角超過30°）。從重心的移動(dòng)來看，都有一個(gè)加速——減速的循環(huán)過程，沒有一個(gè)人能做到重心的勻速直線運(yùn)動(dòng)。所以，不僅系統(tǒng)內(nèi)要消耗能量，整體也要消耗能量。

但如果把人做為一個(gè)整體來看的時(shí)候，如果能盡量保持勻速直線運(yùn)動(dòng)，確實(shí)能節(jié)省一些能量，只是絕對(duì)的勻速直線運(yùn)動(dòng)，臣妾真的做不到。

行走運(yùn)動(dòng)的一個(gè)分解運(yùn)動(dòng)是重心有規(guī)律地起伏。這是因?yàn)椋俗呗返拿恳徊蕉际侵匦囊灾瓮扰c地面接觸點(diǎn)為軸的一次滾動(dòng)跌落，另外一條腿跟上接觸地面的時(shí)候，重心就會(huì)滾動(dòng)上升。重心克服重力滾動(dòng)上升的能量來自生物能的轉(zhuǎn)化。

這就能解釋，為什么行走的時(shí)候如果想“省力”就不能邁大步？因?yàn)檫~大步的時(shí)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。

正常人走路都是自然擺臂，有的人把擺臂歸結(jié)為從爬行到直立行走的進(jìn)化遺留產(chǎn)物，這個(gè)解釋是錯(cuò)誤的，因?yàn)槿藘勺阈凶吆退淖銊?dòng)物行走的姿態(tài)不一樣。四足動(dòng)物的身體旋轉(zhuǎn)很小，而人在走路的時(shí)候，身體沿著豎直中軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)比較大。

當(dāng)走路的時(shí)候?qū)?cè)的手和腳同時(shí)運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)改變的矢量和就比較小，換句話說，就是消耗更少的能量，也就是我們說的省力。

除了沿著身體豎直中軸的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，行走的時(shí)候，人體的重心還有一個(gè)左右的擺動(dòng)。這一點(diǎn)在女性身上更明顯，這是因?yàn)樗齻兊墓桥璞饶行詫挕Ｋ裕说臄[臂除了前后擺動(dòng)，還會(huì)有一個(gè)向人體中線的擺動(dòng)，這個(gè)擺動(dòng)，也是女性要更明顯些。

由于擺臂減少了轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的矢量和，也就是說，擺臂保持了人體在行進(jìn)中在豎直方向上轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，有利于平衡。而手臂向中線擺動(dòng)，降低了質(zhì)點(diǎn)系左右擺動(dòng)的矢量和，換句話說就是減少了重心的左右擺動(dòng)

可以說，擺臂不是人類進(jìn)化過程的遺跡，它是省力的行走方式的重要組成部分。

弄清楚走路的物理規(guī)律可以幫助我們做許多事情，比如研發(fā)更靈活的兩足行走機(jī)器人、研制可以幫助因?yàn)槭鹿适ゲ糠中凶吖δ艿娜丝祻?fù)的機(jī)器、制定走路健身方案等等。

參考文獻(xiàn)：

《擺臂方式對(duì)走路協(xié)調(diào)性及能量消耗的影響》浙江大學(xué) 教育學(xué)院體育系 李春蕾，周永平。

《關(guān)于人走路的若干物理問題分析》 東北師范大學(xué)物理學(xué)院 翟爽，候恕。

關(guān)于行走中的物理學(xué)就介紹到這里，我是@郭哥聊科學(xué)，如果您喜歡這篇文章，歡迎您在評(píng)論區(qū)留言、點(diǎn)贊、轉(zhuǎn)發(fā)、關(guān)注。