蚂蚁是种非常令人惊奇的动物,它能衔着比自己弱小身体重几倍的重物,沿着植物茎向上快速奔跑(图1-24),它的行为令很多人感到不解:这么小的身体怎么会有这么大的力气?居然能这样轻轻松松地扛起重过自己体重近10倍的重物!人是绝对不可能扛起一架钢琴顺着梯子向上爬的(图1-24,右),可这就是蚂蚁所搬的重物和它的体重之比,所以,蚂蚁相对来说比人的力气大多了。
图1-24 蚂蚁大力士
真的是这样吗?
这个问题不用几何学是无法弄明白的。来看看专家是如何论述肌肉力量和解释蚂蚁的力量与人的力量对比关系的问题的。
动物的肌肉就像是一根松紧带,只是它的收缩是因为别的原因,而不是因为有弹性。肌肉被刺激后会恢复正常,而在生理学的实验中,给相应的神经或者肌肉通电流都能使肌肉收缩。
由于冷血动物的肌肉在机体外甚至是常温条件下,仍然能够在很长一段时间内保持它的生命特征,所以从一只刚死去的青蛙身上取下一块肌肉做实验是很容易的。实验的方法也很简单,先把青蛙屈伸后腿的主肌,就是腿肚肌,和与它相连的大腿骨及其末端都切下来。这块肌肉的尺寸和形状都非常适合做实验。先把大腿骨挂在实验台上,把一个小钩子挂上砝码,穿过肌腱。如果用连着电源的电线触及肌肉,肌肉就会迅速收缩,并变短,从而提起砝码,想要测定肌肉的最大提升力,只需不断提升小砝码的重量即可。这时,用电流刺激几条连接在一起长度相同的肌肉,这样做并不能获得更大的提升力,砝码被提升起的高度只是这些肌肉收缩的倍数,但如果把几条肌肉绑在一起,形成一束,那么它们被电流刺激后会提起更重的砝码来。所以想象一下,如果这些肌肉都长在一起,就一定能得到这样的效果。所以说肌肉的提升力是由肌肉的粗细也就是它们的截面积决定的,而并不取决于它们的长度或总量。
现在回到刚才的问题,对机体结构相同、几何形状相似但体积大小不同的动物进行一下比较。第二个所有的直线尺寸都比第一个大的一倍,第二个动物的体积、体重,机体内每个器官的体积、重量都是第一个的8倍,但肌肉的横截面却只有第一个的4倍,这个体长是第一个的2倍,体重是它的8倍的动物,它的肌肉力量却只比第一个的增加了3倍。可以看出,这个动物的体力只是第一个的一半,同理,一个动物的长度上是另一个的3倍(横截面积超过8倍,体重超过26倍),那么它的体力就只是另一个的。如果它的体长是另一个的4倍,那么它的体力只是另一个的
为什么蚂蚁、黄蜂等小动物能够扛起相当于自身重量30倍、40倍的重物,而除去运动员和重物搬运工外的普通人类,在正常情况下却只能搬动相当于自身体重的重物,我们视马匹为出色的搬运工,它只能搬运相当于自身体重的重物[9]。上述情况是动物体积和重量与它的肌肉量不成正比的原因。
现在你对蚂蚁大力士的力量该刮目相看了吧!克雷洛夫在自己的寓言中这样描写蚂蚁大力士:
小蚂蚁,大气力,
古今者,无人比;
忠实的历史学家这样说,(www.xing528.com)
它居然可以举起两颗大麦粒。
【注释】
[1]阴影的长度是从金字塔的方形底座中心点计算,金字塔底座的宽度可以通过直接测量获得。
[2]太阳投射到地球直径两端的光线角度较大,可以测量出来,约为17秒,这个角度的确定可以让人们更好地测定地球和太阳之间的距离。
[3]准确地说,长木杆留在地面上的高度应该是你站立时眼睛离地面的高度。
[4]A和A′两点一定要和树的底部在同一条直线上。
[5]这种曲线和“立体抛物线”(y3=ax2)更为接近,这样的抛物线旋转产生的物体形状被称为聂尔氏体(古代数学家聂尔发现确定了此类曲线弧长的方法,故以他的名字命名),林木的树干形状接近聂尔氏体,要运用高等数学来计算聂尔氏体的体积。
[6]类似的仪器还有千分尺,也是用来测量的仪器,见图1-20(右)。
[7]切记,“材积系数”只对生长在密林中的细高平滑无节的树木适用,而不适用于独立多枝的树木。
[8]这个方法的好处在于可以用它对形状各异的树叶面积进行比较,后边提到的方法则无法做到这一点。
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