足部力學解析／跳蛛絲 能承重不能結網

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【聯合報╱記者喻文玟】
螞蟻可以搬動自己體重10倍的物品，原因之一是牠能將背上重物壓力平均分散到6隻腳上。 （法新社）
壁虎為什麼每跑幾步就得停下來喘氣休息？長頸鹿在低頭喝水時為什麼做出把腳大幅度張開的誇張動作？

這些生物現象、動物的運動科學，都可以使用簡單的物理力學原理來解釋，「生物力學」就是探討近年新興的跨生物、物理領域學科。

中興大學物理系助理教授紀凱容以「壁虎運動」為例，爬行中的壁虎會左右擺動身體，造成牠走每一步都會讓身體一側的胸腔被擠壓，所以壁虎「換氣」效率不彰，運動時必須常停下來喘氣，這就是生物自體的調節和控制機制。

生物界還有許多和力學相關的例子。紀凱容舉例，蠶蛾類昆蟲並不擅長飛行，但公蠶羽化變成雄蛾之後，會在交配前拚命振翅。公的蠶蛾振翅不是為了展現雄風，而是像抽風機一般，把雌蛾的氣味（費洛蒙）吸附到觸角附近，如此一來即使在黑暗中也可以成功找到生殖交配對象。此外，公蠶振翅運用了流體力學原理，流體力學是力學的一個分支，動物飛行行為與能力都可靠流體力學來解釋。

還有一種「安德遜蠅虎跳蛛」，這種蜘蛛會曳絲但不結網，跳躍時的曳絲能承受自己體重2.4倍的重量，研究者發現這符合物理向量內積原理，跳蛛吐出的曳絲有平衡功能，這些發現將來有希望應用於仿生科技。

紀凱容說，許多生物的「小動作」都是牠們經由長期自然演化的淬鍊擇汰，才留存下來的特殊行為或是形態結構。藉由力學分析，人類能進一步探索生物適應的法則，解開演化之謎，這是生物力學迷人之處，也有助於仿生科技、生醫工程的研究與發展。

小螞蟻 6隻細腳肌力強

小小一隻螞蟻，為什麼能搬動比牠自己重幾數十倍甚至百倍的物體？為何一個體重60公斤的成年人卻不一定抱得起同樣60公斤重的東西，甚至抱起一個年僅六、七歲幾十公斤的幼童，就覺得沈重？

中興大學物理系助理教授紀凱容表示，科學家曾針對螞蟻產生的熱能進行分析，而從力學角度來看，動物肌肉力量大小和牠自己的肌肉橫截面大小成正比。

螞蟻腿部肌肉纖維有數千條，加上螞蟻有六足，背負物體時背部受力面將重力平均分配到六足上，除了肌肉的承重力強，加上能平均分佈重物壓力的結構，小小的螞蟻才能展現大力士般的負重能力！

紀凱容說，以人類「拉單槓」為例，一般而言由幼年至成年，年紀越大應該力量越大，但許多成年人卻不一定能像小朋友般輕而易舉地拉單槓。

假設一位男生，小學三年級時體重約30公斤身高130公分，等成年時身高170公分，體重約65公斤。在人體密度不變情形下，體重增加兩、三倍，身高也增加了，但手臂肌肉橫切面積不會因為體重增加而粗壯兩、三倍，成年人依舊是使用雙手拉單槓，相對上顯得更吃力。

此處再舉另一個例子：一位父親把小孩舉在肩膀上，會感覺不穩甚至吃力，但若父親趴下來讓孩子當馬騎，承受同樣的重量卻感覺相對穩重，因為承載的重量平均分佈在雙腳、雙手，承受力量的「面積」增加了，不再只是雙腳。

換句話說，多數動物體積、體重增大時，肌肉橫截面增大的程度，遠不及體積或體重增加比例，所以人類成長時隨著年紀增長（體型增加），搬舉「相對重物」的能力並不會因此呈等比例增加。