明朗高中物理

“人体内力做功”

人由楼梯上行,重力势能增大,人体化学能转化为机械能;下行,重力势能转化为热能。这没有问题,尽管化学能和热能是不便完全区分的两个术语。

有些作者[1-6]表述,人由楼梯上下,“人体内力做功”等于人体机械能的变化。这看上去没有问题,其实经不起推敲。

文献[1]讨论一条绳子上端悬挂于高处,人抓着绳子向上移动,只提手臂对躯体的力做功,不提躯体对手臂的力做功,另一方面没有指出功表达式中的位移是哪部分物质的位移,实际上并没有说清楚“人体内力做功”本身的含义。

文献[4]把人体类比于弹簧,必然面临一个困难:怎么说明人持续上楼的过程,这个弹簧做的总功不断地增加。

如果把人体作为一个质点系对待,一个质点对应人体一个小部分,考虑到功的表达式中的位移为质点的位移,质点之间成对作用力的功可以不为零,那么,代表人体的质点系,必然遵循机械能定理:这个质点系的内力的功必然等于它跟地球构成的系统的机械能的变化。由此看来,“人体内力做功,等于人体机械能变化”这样的表述,需要一个前提:把人体作为一个质点系对待,这些质点彼此之间的距离可以变化。按照这个假想的质点系模型,质点系内力做正功时化学能转化为机械能,做负功时机械能转化为热能。如果有一个好的质点系模型有效地说明人体的相关过程,那么生理学很大程度上可以归结为质点系力学了。困难是,作为怎样一个质点系。

文献[1-6]都没有提出人体作为怎样一个质点系,也没有引用其它文献论及这一点。

如果不使用质点系模型,“人体内力”是指怎样的力呢?在未加定义的情况下,学生可以做如下理解:把人体用许多数学截面切割成许多份,相邻部分之间的作用力就是内力了。这些内力成对出现,作用于接触面,相当于固体之间的接触力(压力和静摩擦力),由功的定义来看,这些内力的总功应该为零。按这样的理解,得不出“人体内力做功等于人体机械能变化量”,因为机械能变化是可以不为零的。

包含能量转化的情景未必适合使用功概念。比如,化学反应、核反应,涉及能量转化和转移,都不使用功概念。又比如,放在桌面上的手跟桌面之间发生热传导,从经典物理角度看,本质上无非是分子之间碰撞交换部分能量。分子之间相互作用交换能量是可以用功来度量的,但涉及到大量分子时,没有可测量的力和位移来量度热传导涉及的功,所以就不用功概念。再如,太阳能电池(solar cell),涉及电磁波能量转化为电流能量,物理学家不表述某某力做功电磁波能量转为电流能量。

人体,不同于机器人,不同于机动车,不使用内力做功概念,一点也不奇怪。使用内力做功概念,倒是需要强有力的理由。人体的运动机制需要研究,但一定不是质点系力学的用武之地。用力学分析人体时,把人体看成可以分割的几部分,未尝不可,而把人体作为质点系应用动能定理、机械能定理,是缺乏意义的。所谓“人体内力做功”,不应该作为基础力学教学内容。

参考文献

[1]陶昌宏,孙际芳.建立合理的人体模型 正确分析能量转化的问题[J] 物理通报 2008,(3):11-12.

[2]路文梅.浅谈人体内力做功的问题[J].物理教学探讨,2008,(5):21-22.

[3]胡生青.对人体内力做功的讨论[J].物理通报,2008,(11):13-14.

[4]孙会刚,李刚.人体内力做功模型的讨论[J].物理教师,2009,(6):30-31.

[5]黄尚鹏.涉及人的内力做功的问题[J].物理教学,2011(1):43-45.

[6]韩晓.能将内力做功转换为外力做功的弹簧腿模型[J].物理教学,2011,(9):19-20.

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work-animal-internal.txt · Last modified: 2018/05/20 09:51 by minglang