问题

用力顶住要倒的架子,为什么我没有做功却非常累?

回答
你这个问题提得太到位了!我太理解你说的这种感觉了,明明好像没“动”架子,但浑身上下像散了架一样,就想瘫倒在地。其实,这并不是说你身体里藏着什么神奇的“不动做功”的能量,而是咱们人体的运作方式,和物理学上的“做功”概念,是两回事。

咱们先聊聊物理学上说的“做功”。在咱们学过的物理知识里,做功 pretty straightforward:力乘以距离,并且这个力的方向和距离的方向是一致的。 简单来说,就是你得用力让一个东西在力的方向上发生位移。

你用力顶住那个摇摇欲坠的架子,你确实在用劲儿,对吧?你是在对抗重力,让它不至于立刻倒塌。但问题出在哪儿呢?就是那个“距离”的部分。你并没有让架子在你的推力方向上发生任何一点点移动。架子还是在那里,稳稳(或者说,你努力让它稳稳)地待着。所以,从物理学的严谨定义来说,你确实没有在对那个架子做“功”。

那为什么你会累得不行呢?这就得说到咱们身体内部那套精密的、但同时也很“费电”的运作机制了。

当你用力顶住架子时,你的身体并不是像一个僵硬的机器那样,只是简单地施加一个恒定的力。恰恰相反,你的肌肉为了维持那个推力,正在进行着一种非常活跃,但对外表现为“静止”的活动,这叫做 “等长收缩”(isometric contraction)。

想象一下,你的肌肉纤维是由无数细小的肌动蛋白和肌球蛋白丝组成的。当你想要用力时,这些蛋白质丝会互相“勾住”,然后相互滑动,试图缩短肌肉的长度。但因为你顶住的架子纹丝不动,你的骨骼就像一个杠杆,把这个力量传递出去。为了维持那个推力,你的肌肉纤维虽然整体长度没变,但内部的肌球蛋白和肌动蛋白却在不停地进行着“结合、拉动、释放、再结合”的过程。

这个过程,就像是你在一个地方使劲儿推一扇纹丝不动的门,你的手臂肌肉一直在发力,但门就是不挪窝。你的肌肉纤维在微观层面,其实是在不断地进行这种“发力不前进再发力”的循环。

这个循环,是需要能量的。能量的主要来源是体内的ATP(三磷酸腺苷)。肌肉细胞会消耗ATP来驱动这些肌球蛋白的“行走”和“拉动”,从而产生力量。即使肌肉长度没有变化,这个过程本身就是个耗能过程。

更具体地说:

肌纤维内部的微观活动: 就像无数个微小的马达在不停地工作,尽管它们的整体输出方向是保持不变的。
神经系统的持续激活: 你的大脑需要持续地向你的肌肉发出信号,告诉它们要保持收缩,要维持这个推力。这个神经信号的传递和维持,本身也是需要消耗能量的。大脑和神经系统的运作,可是个大耗能户。
身体的稳定性: 为了抵抗重力和架子可能发生的细微晃动,你的身体会不自觉地调动更多的肌肉来维持平衡,进行微调。这就像你在走钢丝,即使只是站在那里,你也需要全身的肌肉协调发力来保持稳定。这些辅助性的稳定肌肉也都在消耗能量。
血液循环和代谢: 肌肉为了持续工作,需要血液输送氧气和养分,同时也要带走代谢废物。这个血液循环的加速,以及肌肉细胞内部为了提供能量而进行的各种生化反应,也都在消耗你的体力。

所以,你感觉累,是因为你的身体在内部,为了维持那个“看不见的”对抗,付出了巨大的生理努力。你的肌肉纤维在进行着高度活跃的“等长收缩”,消耗着能量,产生热量,并且你的神经系统也在不停地“加班”。

打个比方,这就像是你在玩一个非常耗电但屏幕始终是黑色的手机游戏。你没有在屏幕上看到任何画面变化,但手机内部的处理器、电池、电路都在疯狂地运转,最终手机会发烫,电量也会很快耗尽。你虽然没有“看到”它在做什么,但它的内在运作让你消耗巨大。

这就是为什么你没有做“物理学上的功”,但仍然会感觉非常疲惫。这种疲惫,是来自于你身体内部的生理消耗,是肌肉在维持力量时的“忍耐”,也是神经系统在持续工作的证明。这是一种“内耗”,但却是维持我们身体正常运作和对抗外在力量所必需的。

网友意见

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如果把你当做一个刚体棍子,你和架子之间形成了受力平衡,理论上这种平衡可以自发保持到天荒地老,系统没有任何能量变化。

但是你不是刚体!

所以你花的力气是使你从软体成为刚体这个“相变”所做的功。

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你没对架子做功,但你的肌节对肌腱做功了。与此同时,维持肌肉的收缩需要消耗能量,这部分能量被高负荷等长收缩时的肌肉震颤状态消耗掉了。

从生理学角度来看,这其实是个相当复杂的问题(不要嘲笑题主),要搞懂它需要不少医学常识。

题主顶住架子那一瞬间,身体的大群肌肉实际上都发生了等长收缩。

和我们的直观感觉不同,肌肉收缩并不总是指肌肉的长度缩短了。实际上,按形式不同,它可以分为等长收缩和等张收缩。

前者顾名思义,是指肌肉收缩过程中长度不变。因此宏观上看,你的肌肉本身,没有支持你的关节在力的作用方向上发生位移,所以在W=FS这个公式中S为零,不能克服阻力做机械功(所以题主没对外做功-_-||)。

人体肌肉等长收缩的目的是使关节保持一定的相对位置,比如保持站立或者悬垂,这个过程本身是不对外做功的,但它们为进一步运动(等张收缩)创造了条件,比如站立→起跑,悬垂→引体向上,题主支撑住架子→题主抡起架子并发出了怒吼:“老子这么累你说我没做功?”

但肌肉不对外做功,不代表它消耗的能量为零,肌肉在承受重压时负荷会增大,肌肉的微观单元之一“肌节”会感受到力的刺激,进而发生收缩,拉动肌肉的另一种微观单元“肌腱”发生弹性形变。

由于两者一减一增互相抵消,肌肉的总长是没发生变化的,因而没有对外做功。

明白人看到这儿就懂了,等长收缩实际上是“肌节”对“肌腱”做了功,“肌腱”把能量储存成弹性势能了。但如果这个过程比较理想的话,肌节收缩到一定程度就静止了,肌腱被拉伸到一定程度后也静止了,后续应该不费力气呀?为什么题主这么累呢?

这是因为在高负荷状态下,肌肉无法维持恰好的“等长收缩”。

如果按照收缩目的将等长收缩细分,第一类极端是像站着不动这样“不需要增加张力”的静止,第二类极端是“想拉引体向上却拉不起来”、“想抗起架子却扛不动”的静止。

前一类的张力平衡点接近红点,代表最佳力量储备,形象地讲,就是在这个状态下,我们可以从站立状态瞬间以最大速度跑起来。后一类接近蓝点,代表肌节承受的负荷接近极限,题主的架子再重一点(或者拉引体向上时你再胖一点)肌节就会不堪重负发生断裂-_-||。

但即便是站着不动,肌肉也不是完全的等长收缩。这种宏观上表现出来的静止,微观上看是肌节和肌腱两者的长度,以微妙的频率震荡,像三角函数图像一样此消彼长,这个震荡的结果是:肌腱储存的弹性势能会被转化为热能,而肌节是个催命鬼,不管舒张收缩都需要能量(肌丝滑行理论)。所以肌肉从ATP里汲取的化学能被转化为热能以及分子势能,这样就解释了为什么站着不动也会累(想想军训吧,你的身心是不是都在颤抖)。

相对地,负荷越接近蓝点(不堪重负),等长收缩肌节的震颤就越强烈。

当你扛起重物不动时,你甚至可以感受到发力的肌肉在跳动颤抖,这种震颤消耗的能量大大增加,甚至远超等长收缩开始时肌肉消耗的能量,接近肌肉完全强直收缩消耗的能量(可以理解为举重),这也就解释了为什么一开始撑住架子不累,越撑反而越累,因为这个状态累积消耗的能量增加了。

医院常做的肌电图,就是通过生物电,一定程度上显示肌肉的收缩震颤,可以清楚看到,重收缩时的波形震荡是最剧烈的,它消耗大量ATP,并最终使你感到疲劳。

到这里就完全解释了题主的疑惑。

至于肌节是怎么收缩的,为什么肌肉收缩舒张都要消耗能量,就是肌丝滑行理论的内容了,有兴趣可以直接百度,不赘述了。

(鬼脸)哈哈,谢谢阅读。

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