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《少年科学画报》

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你身上的拱和弹簧

2014-10-16 10:27:02


你奔跑,你跳跃,你骑车,你走路,你做这些事情时,身体要经受各种各样的震动和冲击。有数据表明,人从高处往下跳时腿部受到的冲击力,有时相当于几吨重的车子压在腿上。但很奇怪的是,人体并未因为这些冲击而受到损坏。这要归功于人体的奇妙构造:在人体中既有结实的拱,也有减震的弹簧。

 

说到拱,你可能会想起拱桥。拱是建筑上一个出色的成就,在发明和利用拱之前,建筑结构依靠的是柱、梁和阶石。比如,无从是建筑内部还是外部,都必须横跨在柱上,柱间距离必须经过仔细计算,以防横梁在过大的力的作用下折断。然而拱的性质使得外力可以比较均匀地分布,避免集中在中央,它需要的支撑物较少,建筑内部的空间就比较宽敞了。

赵州桥就是这样一座空腹式的圆弧形石拱桥,它是世界上已知现存最早、保存最好的巨大石拱桥。全桥只有一个大拱,大拱的两肩上各有两个小拱,船只从大拱下方通行是很方便的。大拱由28条拱石并列拼成,为了使相邻拱石紧紧贴合在一起,相邻拱石的中间还有一块起连接作用的楔形石头。当楔形石头受到向下的压力的时候,它就去挤压旁边的拱石,旁边的再去挤压旁边的。这样,每条拱石受到的都只是来自相邻拱石传来的压力,这些措施使得整个拱桥连成一个紧密的整体,分散了外力的作用。

人的足弓是一个拱形结构,足弓由一连串的小骨头组成,使外力前后传递。当身体跳跃或从高处落下着地时,足弓的弹性起着重要的缓震作用。在行走尤其是长途跋涉时,足弓的弹性对身体重力的压迫,以及地面给予的反弹力有着缓冲作用,同时还能保护足底的血管和神经免受压迫。


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弹簧

弹簧是我们比较熟悉的一种结构,它用弹性材料制成,在外力的作用下会发生形变,除去这个外力后,又会恢复原状。

纵观我们身体的各个部位,最像弹簧的结构就是脊柱了。脊柱是身体的支柱,有负重、减震、保护和运动等功能。脊柱的长度,3/4是椎体(由一节一节的脊椎骨组成)1/4是椎间盘。在正常情况下,脊柱有4个弯曲,从侧面看呈S形。脊柱的四个生理弯曲,使脊柱如同一个竖立的弹簧,随着身体运动带来的冲击,脊柱的形状可有相当大的改变。而位于两节脊椎骨之间的椎间盘就好比一个弹簧片,能随压力的大小改变自己的形状,吸收脊椎骨带来的震荡。我们奔跑和跳跃时,虽然从脚底传来的震荡非常大,我们经常感到双脚一麻,但当这种震荡到达上躯干后,经过一节一节的“弹簧”缓冲,再传递到头部的震荡已经非常少了。脊柱既保持了身体的直立姿势,又有力地保护了头部免受来自脚底的冲击。

人体大大小小的关节也可以看作弹簧结构。膝关节处有一块叫做半月板的软骨,在膝关节受压时,半月板能改变形状,使人体在做出奔跑、跳跃等动作时,膝盖收到的震动得到缓冲。


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