正文 格列佛和大人國(1 / 1)

在科學的發展過程中,生物學和力學相互促進和發展著。哈維在1615年根據流體力學中的連續性原理,按邏輯推斷了血液循環的存在,並由馬爾皮基於1661年發現蛙肺微血管而得到證實;材料力學中著名的揚氏模量是揚為建立聲帶發音的彈性力學理論而提出的;流體力學中描述直圓管層流運動的泊鬆定理,其實驗基礎是狗主動脈血壓的測量;黑爾斯測量了馬的動脈血壓,為尋求血壓和失血的關係,在血液流動中引進了外周阻力的概念,同時指出該阻力主要來自組織中的微血管;弗蘭克提出了心髒的流體力學理論;施塔林提出了物質透過膜的傳輸定律;克羅格由於對微循環力學的貢獻,希爾由於肌肉力學的貢獻而先後(1920,1922)獲諾貝爾生理學或醫學獎。到了20世紀60年代,生物力學成為一門完整而獨立的學科。

《格列佛遊記》裏麵寫的巨人國,巨人的身長足有正常人的12倍,當你讀到這裏的時候,你一定會以為他們的力量至少也是常人的12倍。就像這部《格列佛遊記》的作者斯尉夫特本人,也把他的“巨人”寫成十分強壯有力。但是,這樣的看法是錯誤的,它和力學的原理相衝突。下麵不難證明這些巨人的體力不但不比常人強大到12倍,而且相反,應該比常人相對地弱這些倍。

設格列佛和巨人站在一起。兩個人同時舉右手向上。設格列佛的臂重是p1,巨人的臂重是P。又設格列佛把手臂的重心舉到高度h,巨人舉到高度H。這就是說,格列佛做了p1h的功,巨人做了PH的功。現在試求這兩個值之間的關係。巨人手臂的重量跟格列佛手臂的重量的比,應該等於它們的體積的比,比值就是123。又,H是h的12倍。這就是說,要把手臂向上舉起,巨人應該做的功等於常人的12^4倍。我們的巨人是不是有這樣大的工作能力呢?讓我們來比一下兩個人的肌肉力量,而首先,先來讀一下生理學教程裏有關的文字:

“在平行纖維的肌肉裏,舉重所達到的高度跟纖維的長度有關,所舉重量卻跟纖維的數目有關,因為重量是分布在各條纖維上的。因此,兩條同樣質地同樣長度的肌肉,截麵積比較大的就能做出比較大的功,而兩條截麵積相等的肌肉,能做出比較大的功的是比較長的一條。假如比較的是兩條不同長度和不同截麵積的肌肉,那麼它們當中體積比較大的那條,就是有比較多的立方單位的那條,會做出比較大的功。”

把這段話應用到上麵說的情況,可以得出結論,巨人做功的能力應該等於格列佛的123倍(兩個人肌肉的體積的比)。如果用w表示格列佛的工作能力,用W表示巨人的工作能力,可以得到:W=123w。

這就是說,巨人在舉手的時候要做的功,應該是格列佛的12^4倍,但他的工作能力隻有格列佛的123倍。顯然,巨人做舉手動作要比格列佛困難到12倍。換句話說,巨人要比格列佛相對地弱到12倍;因此,要戰勝一個巨人所需要的軍隊就不是1728(就是123)個常人,而隻是144人了。

假如斯尉夫特想使他的巨人能和常人同樣自由地運動,他就得讓他的巨人的肌肉體積等於按比例算出來的12倍。這樣的話,巨人的肌肉應該是按比例算出來的粗細的倍(這裏假定肌肉的長度不變),就是大約倍。因此他支持加粗了的肌肉的骨骼也應該相應地加強。斯尉夫特可曾想到,他想象當中創造出的巨人,在重量和笨重上應該已經和河馬接近了!

知識點

重心

重心,是在重力場中,物體處於任何方位時所有各組成質點的重力的合力都通過的那一點。規則而密度均勻物體的重心就是它的幾何中心。不規則物體的重心,可以用懸掛法來確定。物體的重心,不一定在物體上。

延伸閱讀

竹子的力學特性

竹與“鬆”、“梅”並稱“歲寒三友”,向來是堅勁高潔的君子的象征。我國國畫家李苦禪在他畫的竹子畫上題詞說:“未出土時先有節,到淩雲處還虛心”,“有節”、“虛心”、四季常青這幾種品質,怕是曆代的發現,一般都是采用階梯狀的變截麵杆(階梯杆)來代替理論上的等強度杆。例如,傲然矗立於馬來西業檳城88層的雲頂大廈,曾是世界最高建築,高達452m,是一個典型的“仿竹”傑作,它底部寬大,到一定的高度就變細一節,是一種階梯狀等強度管狀結構。正由於它具有合理的力學結構,才被大膽地建在一個多台風的海邊城市。再如,大型民用飛機的機翼,大都是采用平直的機翼,這種機翼是一種扁平的空心等強度結構,其翼肋像竹節一樣可提高機翼的抗彎強度,而空心結構在滿足足夠的抗彎強度前提下,大大地減輕了重量。綜上可知,竹子的合理力學結構,將在仿生學領域裏大有作為。