为什么用力推墙时没有持续对墙做功,却有持续的能量消耗?

发布时间:
2024-02-12 21:51
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特别理解题主,我上初中时也有同样的疑问,一直念到研究生才找到自己满意的答案……之前有几位答主都拿卡住的电机做比,这类比其实挺让人困惑的,因为卡住的电机和干使劲的肌肉除了都发热了以外实在没啥可比性。而现在排名第一的回答说能量消耗在肌肉的抖动上也不准确。正常推墙时肌肉的抖动肉眼都不可见,那点动能只是发力时能耗的很小一部分。还有些人提到墙的弹性变形,就更不相关了: 一则墙的变形微乎其微所产生的弹性能极小,二则往复的弹形变形只有能量转化没有能量消耗。

其实肌肉推墙和下图拿推土机推墙差不多。如果墙没推动,那轮子就在地上打滑。这个问题的功耗初中生都能解:产生的热能=摩擦力X轮子打滑的路程。

肌肉被卡住时的功耗和推土机被卡住轮子空转的功耗类似。

肌肉干使劲时的功耗就是另一种形式的打滑。肌肉的收缩是由肌动蛋白(Actin)和肌凝蛋白(Myosin)完成的。肌动蛋白和肌凝蛋白在肌肉中都会组装成丝状结构(filament),宏观上肌肉的收缩来自微观上肌动蛋白丝与肌凝蛋白丝的相对滑动。这相对滑动则靠肌凝蛋白丝上的很多只“脚”(Myosin head)在肌凝蛋白丝上“行走”来驱动。虽然每只“脚”产生的力在宏观上看是微小的。很多只“脚”共同牵拉就能产生肌肉有力的收缩。当肌肉使劲但是动不了时,就相当于这些“脚”在原地打滑。

肌肉的收缩通过肌动蛋白丝(Actin filament)和肌凝蛋白丝(Myosin filament)的相对滑动完成。肌肉使劲但不能收缩就相当于肌凝蛋白的“脚”在原地打滑。

如果你还想刨根问底,咱们还可以具体来看看打滑到底是怎么发生的。每只“脚”(myosin head)产生拉力的基本步骤是:

  1. “脚”(下图红色的Myosin head)抓住肌动蛋白丝(下图蓝色)。这个时候“脚”是加载了“电池“的——高中会学的ATP变成了ADP+P与“脚”结合。
  2. “脚”耗能产生拉力。“电池”用完就扔了——释放ADP和P。
  3. “脚”没“电池”就泄劲了,要等着下一个“电池”(ATP)漂过来。
  4. 加载新“电池”(ATP)准备下一次拉动。

肌凝蛋白的“脚”(myosin head)是怎么走路的、

当肌肉被“卡住”,第2步还是能照常进行,只是无法把背后的蛋白丝整体拉动,只能产生一些弹性变形。这样到第3步时,弹性变形又把“脚”拉回了原地。“打滑”的路程即为“脚”被拉回的距离。而“打滑”时的摩擦力即为把“脚”拉回来时周围液体的阻力。这样就不难看出肌肉“打滑”和推土机打滑的相似性了吧~

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