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骑自行车走1000米的长距离让我们觉得筋疲力尽,但如果换成骑自行车,那就轻而易举了。这两种运动的最终结果都是将人体移动相同的距离,消耗的能量也是体力(主要靠两条腿)。自行车什么都不做,反而增加了运动员的附带素质。但是我们感觉跑步明显比骑自行车更费力。为什么?

有人说,在骑自行车和在水平地面上沿同一路线跑步的两种情况下,“转移质量”所需的总功(或能量消耗)是相同的。这种说法其实不靠谱。因为做的功不在于迁移的质量,而在于克服迁移过程中的风、摩擦等物理学家所谓的“耗散力”所造成的阻力。

为了理解骑车和跑步的物理意义,我们不妨做两个半定量的估计。测量表明,用相当轻的自行车匀速骑行时,需要用约1牛顿的力克服车轴的摩擦力,用约2牛顿的力克服轮胎的滚动摩擦力。在8 km/h的速度下,风阻也在1牛顿左右。因此,克服这些“耗散力”所需的总力约为4牛顿。骑行1公里需要4000焦耳左右。如果车速增加一倍(即16 km/h),风阻将增加4倍,所需总功约为7000焦耳。如果车速提高2倍(即24 km/h),风阻将增加到9 N,骑行1 km所需的总功约为12 000 J。

跑步的情况比较复杂,至少包括两个主要动作:人体的水平运动和跑者每一步重心的垂直跳跃。消耗跑者大量精力的是后者。对于一个体重70公斤的运动员来说,如果他在跨步时跳起15厘米左右,那么每步消耗的能量约为100焦耳。这种能量最终在脚踏地时转化为热能和声能。如果按每公里925步估算,脚着地时消耗的总能量约为92 500焦耳。相对于骑行所消耗的总能量,答案显而易见。

我们也可以从另一个角度来考察,即两项运动所做的功来自于运动员的有氧呼吸消耗。根据运动生理学家的计算,跑步消耗约为260 000焦耳/公里,这几乎是克服外界“耗散力”所消耗能量的3倍!多余的能量用来克服体内的“摩擦力”,比如跑步时出汗,这意味着身体产生大量的热量,所以跑步者会感到更热,甚至出汗。而骑自行车,这部分能量消耗很小。如果以8 km/h的速度骑行,那么骑行者每分钟大约蹬32次(周),接近普通步行者的步幅频率。骑自行车的人除了双腿周期性蹬地,基本不动上半身。如果车况和路况较好,有氧呼吸的消耗仅比行人略多,甚至不到跑步者的1/10。

以上估算和实测表明,同样的距离,骑自行车确实比跑步省力得多。

奔跑

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