科普挑担子中的物理学

　　今天在网上冲浪的时候看到了下面这样一段话。
　　爬山的时候会发现这样的现象：挑担子的往往比散步的游客走得要快。之所以如此，是因为二者心态不同，挑夫肩上有担子，眼中有想到达的目标，不用扬鞭自奋蹄；散步者往往一身轻松，到达目的地的愿望也并不急切，走到哪里算哪里，自然放慢了脚步。
　　作为一个物理专业出身的科普作者，对这段话很不以为然。所以，我决定用物理学来为您解释一下，为什么挑担子的人走得要快？
　　一、行走中肩部运动规律
　　人在行走过程中，由于人体姿势不停地发生改变，人的肩部位置也在不停地发生变化。由于人的行走运动具有周期性，所以人的肩部在人的行走过程中的位置变化也应有这一特点。在行走过程中，双腿的支撑和摆动交替进行，再加上上肢的摆动以及躯干的扭动使得人体的肩部产生移动。
　　在与地面垂直方向上，肩部的的运动呈现出上下波动，波动频率与步频相同；在与前进方向垂直的左右方向同样存在这样一个频率的晃动，只是幅度比较小；同时肩部还有一个以人体垂直方向的中轴为轴的旋转运动。
　　当然了，肩部还跟随整个人体一起存在一个前进方向上的直线运动。只不过这个运动并非一个匀速直线运动，而是一个速度在某个小范围内的变速运动。观察这个运动，只要你端一杯水走路就能看出来，不论你多小心都不能保证水面一动不动。
　　这里之所以要先说肩部的运动，是因为挑担子的时候，肩部是人体与担子的连接处，也是担子的支点。挑担子行走与正常行走时肩部运动的区别是运动幅度减小，但同样存在前面所说的4种肩部运动方式。
　　二、行进中担子的运动规律
　　估计大多数读者都没挑过担子，我也仅有寥寥几次经验，不过这不妨碍我们观察，乡下或者一些景点仍然能看到挑担子的人，城市里也偶尔有挑着担子走街串巷的卖货人。
　　如果你仔细观测会发现扁担有这样的运动规律：1、整根扁担像一根上下振动的琴弦，振动频率与挑担人的步频相同；2、扁担的方向与前进方向的夹角基本保持不变。
　　如果你同时观察挑着担子的人，会发现这个人的动作也与正常走路有区别：1、步幅比较小；2、步频比较高；3、行进接近匀速直线；4、上身除了无法避免的垂直方向的起伏运动之外，左右的摇摆幅度没有或者非常微弱，更看不见肩部以身体中轴为轴的旋转运动。
　　三、担子振动的物理学原理
　　当人挑着担子站立不动的时候，扁担两端在重物的作用下自然向下弯曲，保持静止。一旦人行走起来，担子的中心支点就会随着肩部的运动而运动。前文我们说了，正常行走的时候肩部运动是4个运动的合成。但挑着担子的时候，肩部的主要运动是上下的起伏运动。
　　随着行进中肩部的上下起伏，由于扁担两端的重物拥有惯性（物体保持原来运动状态的能力），所以扁担两端是在受迫状态下开始跟随运动。这种运动连贯起来，看上去就像扁担在发生上下振动一样了。
　　这也能解释为什么挑担子的人都选用软扁担的原因。如果是一根硬扁担，行进中当肩部上升时，腿部肌肉就不仅仅要克服自身的重量和担子的压力，还要克服由于肩上担子所传递的物体加速运动所带来的额外压力。而一根软扁担，传递给腿的压力只是人体的重量加上担子的重量。
　　所以说，用软扁担，挑担子人迈步前进的时候，腿部需要的力量比用硬扁担小。
　　在行进方向上，扁担以及所挂的重物与人体同步保持一种接近匀速的运动状态，这也是因为惯性的原因。挑在肩上的扁担，一旦方向与前进的方向固定，在惯性的作用下，就会保持这个方向。如果挑担子的人，突然变向，很容易被保持惯性运动的扁担拉扯而摔倒。
　　四、挑担子的人的脚步为什么快？
　　人向前走路其实就是一次又一次向前旋转跌倒，这个旋转的中心就是支撑腿与地面的接触点。这种倾跌趋势，跟人体的重量和跨出步子的大小是有关的。向前倾跌的趋势越厉害，迈出的那只脚，在着地时与地面冲击得越重，这样不但人要感到吃力，步子也不容易跨稳。
　　挑着重担走路，等于人体的重量突然增加了许多，向前移步时的倾跌趋势就很厉害。缩小跨出的步子，可以适当减小这种倾倒趋势；迅速迈出后脚，可以防止真的跌倒。因此，挑重担的人，走路的步子总是又小又急，这就成了小跑步了。
　　另外，挑重担时步子短促，可以使人在行进方向上保持速度均匀，这样担子也可以匀速地跟着人向前移动。如果步子又大又慢，担子非但不能在前进方向保持匀速，更在水平面内产生与行进方向垂直的左右摆动也会加剧，担子就更不好挑了。
　　五、挑担子走路是一种技术活
　　说实话，担子真不是那么容易挑的，尤其是，如果你一点经验都没有，上来就挑两桶水这种重量比较大的担子，大概率是走不了几步就要摔跤。
　　这其中的原因就是，你很难第一次挑担子就能找到担子的固有频率。并且保持自己的步频与担子的固有频率相一致。并且控制好自己的行进一直保持一个近似匀速直线运动。
　　另外，由于肩部受到扁担的约束，在挑担行进中不能同正常走路那样通过上身沿着身体中轴旋转和摆臂来减轻腿部消耗和保持平衡，这进一步增加了挑担的难度。
　　结束语
　　人双脚交替向前，肩部高低变化可以激励扁担作为悬臂梁牵引荷物上下振动；而行走速度的脉动可以引起悬挂于扁担两端的荷物前后摆动，绳索对扁担的水作用力和竖直作用力均周期变化，后者可引起扁担振动而得到放大。合适的扁担可以使挑担者在肩部承载较小时迈步向前。会挑担的人起肩时常有意识地对扁担初始激振，确认扁担的固有频率，随节奏而迈步。
　　本文没有用实验的办法对扁担的惯性和固有频率对挑担的影响进行严格的数据论证，有机会，我会单独做一个模拟扁担的实验，并以实验报告的形式，对这个问题进行详细介绍。
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