走和跑的力学解释

人体不仅是生命科学的研究对象，也是物理科学的研究对象。物理教学应该更多地关注与人体相关的物理现象。这不仅是与生活保持密切联系、扩大知识应用范围的需要，也是激发学习兴趣、培养分析和解决实际问题能力的需要。对人的行走和奔跑的解释就属于这一方面。虽然有些人在教学中也涉及这个问题，但他们给出的解释往往过于笼统和不准确。因此，本文将对此进行更具体的讨论。行走和奔跑的动作

1.1腿部运动

行走或跑步时，双腿交替作为支撑腿和移动腿，每条腿必须在一个周期内完成举升、加速、制动、下降、缓冲和踩踏等六个动作。

离开地面的脚是抬腿动作的开始，这时腿落在躯干后面，腿从后向上抬起。当腿上升到与垂直线成最大角度时，它开始相对于躯干向前加速，加速动作开始。当腿的质心速度达到最大值时，它进入制动动作，腿的前摆动速度减慢。当大腿到达前上挥杆的极限位置时，它将开始下降，并且腿将下降到地面，直到腿接触地面。当脚接触地面时，缓冲作用开始，身体总质心的向下速度分量减小，直到质心停止下落，而身体总质心的向前速度分量也减小。支撑腿的膝关节在开球时从屈曲开始伸展，这增加了身体的水平速度。当脚离开地面时，踢腿动作结束，下一轮举腿动作开始。

1.2身体各部分的协调

行走或跑步时，躯干将与腿部配合，在前后、上下、左右三维空间进行各种运动。在前后方向，躯干反复向前倾斜并返回地面。向前倾斜发生在踩踏动作结束时，而返回发生在两次踩踏动作之间。在垂直方向上，整个身体的总重心周期性地上升和下降。当每条腿踩踏地面时，总重心最低，下降前最高。此外，躯干在每一步结束时围绕支撑腿关节的纵轴旋转，这有助于增加步长。

身体所有部位的摆动，包括上肢，在行走和跑步中也起着重要的作用。摆动运动可以促进身体总重心的位移，增加重心的速度，增加腿落地的力量，延长蹬地动作的持续时间，并在蹬地的最后时刻产生额外的速度。

1.3步行和跑步的区别

走路和跑步的腿搭配不同。行走中没有空的阶段，也就是说，每一步都有一个两英尺高的支撑阶段——前脚已经着地，脚还没有离开地面。在跑步中，有一个空的阶段，每条腿离开地面的时间比支撑时间长得多。腿离开地面的时间，也就是腾空的时间，可以比腿支撑的时间长。

走路和跑步的压力

2.1外力

行走或跑步时，作用在人体上的外力包括空气阻力、作用在人体总质心上的重力以及作用在支撑脚上的地面力(简称支撑反力)。支撑反作用力是地面对人的脚的总作用，它是垂直向上的压力和水平静摩擦力的合力。许多人认为水平方向的静摩擦力是促使人们前进的外力。事实上，人的运动并不等同于物体的平移。人体的总重心仍在不断上下移动。正压也会起到加速作用。因此，静摩擦力并不是所有加速的外力。总之，加速的外力是地面作用在支撑脚上的支撑反作用力。

为了便于研究，支承反力可视为重力反力和地面反力的合力。重量反作用力是指人体因其静态重量而面向足部的部分。它的大小总是等于重量。它的方向总是垂直向上。地面反作用力的大小取决于人推地面的力量。它的方向与人推动地面的方向相反。在从脚落地到落地前的缓冲动作中，脚向前向下推动地面，地面反作用力向后倾斜，支撑反作用力也向后倾斜，对人体的向前运动起到制动作用，减缓人体的速度。然而，在踩踏动作中，脚向后并向下踩踏，并且踩踏反作用力向前倾斜，因此支撑反作用力也向前倾斜，加速人体。

2.2内力

人体是一个活跃的运动系统。肌肉可以在神经系统的指令下伸展和收缩，从而产生张力，并通过腱将力传递给骨骼，从而导致身体各部分的运动以及对外界的影响。对人体系统来说，肌肉力量是内力，表现为身体各运动部分之间的力。行走或跑步时，人体获得支撑反力的外力，这是人体内力主动作用的结果。行走和跑步时的内力非常复杂，所以让我们粗略地看一下上下肢蹬踏和摆动时的一些主要内力。

阻挡地面时，脚固定在地面上，小腿和大腿通过骨盆将地面的加速度传递给身体的其他部位，使其向前和向上加速。由向后和向下的加速度产生的惯性力，加上重力和身体各部分之间的约束力，成为进一步加速的障碍。然而，由于动力超过制动力，身体的所有部分仍然获得加速度。另一方面，对应于加速度的惯性力通过小腿传递给脚，这增加了蹬地的力，从而产生了蹬地的较大反作用力。

行走或跑步时，上肢的摆动和腿部的摆动交叉协调。上肢和下肢前后摆动的极限位置附近。对抗肌肉被拉伸和拉紧以产生弹力，该弹力作为运动的制动器。这时，肢体的动能转化为肌肉的弹性势能。弹力停止运动，然后帮助开始反向运动，这被称为“弹性反弹”。运动越快，弹性反弹越明显。

步行和跑步的工作和能量

3.1获得动能

对于整个人体系统来说，质心的加速度必须有一个外力，即支撑反力。但是，在踩踏过程中，脚不动，即支撑反力的作用点不离开支撑面，力的作用点不动，所以支撑反力不起作用。可以看出，支撑反作用力并不是人们行走和奔跑的原始动力。

踩踏板时，是内力，也就是肌肉力量，起作用并改变人体的动能。根据质点组的动能定理，系统动能的增量等于所有外力功和所有内力功之和，这可以改变系统的总动能。目前，外力不起作用，人体动能的变化仅由内力即肌肉力的作用引起。

从能量转换的角度来看，从食物和呼吸中获得的一些能量以化学能的形式储存在肌肉和其他器官中。当人们走路或走路时，肌肉紧张，化学能转化为机械能——肌肉弹性变形的势能。身体的每个部分都在肌肉力量的作用下运动。肌肉力量确实起作用，肌肉弹性变形的部分势能转化为人体的动能。核动能可以分为两部分，一部分是人体整体运动的动能，称为表观动能，另一部分是人体各部分相对运动的动能，称为内在动能。

3.2机械能的消耗

行走和跑步过程中消耗机械能的方式有三种:(1)全身和各部分在每一步中的加速和减速——做功是为了在每次加速过程中增加动能，而动能在随后的减速过程中损失掉；(2)物体总质心在每一步的上升和下降——当质心上升时，必须做功以增加物体的重力势能，而当质心下降时，重力势能减少；(3)克服空气阻力做功。此外，还有一些微小的机械能损失，如克服关节摩擦和加速血液循环。

用特殊仪器和设备对以6米/秒速度奔跑的人进行的测量表明，输出机械能的40%用于提供表观动能，32%用于提供固有动能，20%用于提供重力势能，8%用于克服空气阻力。

机械能的消耗与行走或跑步的速度有关。图3显示了体重为70公斤的人的步行和跑步功率与速度之间的测量关系。从图线和一段图线的趋势可以看出，在较低的行驶速度(小于2.3m/s)下，步行比跑步节能，而在较高的行驶速度(大于2.3m/s)下，跑步比步行节能。

行走和跑步是非常复杂的机械现象。引导学生分析问题，有助于学生实现知识的综合应用，激发兴趣，提高能力。在高中物理教学中，上述目的可以通过普通渗透和专题研究相结合来实现。