人體里的謎

李應(yīng)欽

世間最完美的機(jī)械是什么?就是你，就是我，就是他，就是人體。人體里有最簡(jiǎn)單的杠桿，也有最復(fù)雜的儀器。到目前為止，人體里仍然有著許多謎。你想知道這些謎嗎?那么，請(qǐng)讀——

人體里的杠桿

人類最早發(fā)明的機(jī)械大概是撬棍。也許在猿人時(shí)代，我們的祖先就使用過(guò)撬棍，撬棍就是杠桿的一種，而在人體里有著許多杠桿。

你的頭就是杠桿。如圖1，這時(shí)的支點(diǎn)是脊柱之頂(寰椎)，支點(diǎn)前后各有一肌肉群，它們的作用力分別是F1和F2，頭顱的重量是阻力L。這種杠桿屬于支點(diǎn)位于中間的第一類杠桿，和塔式起重機(jī)頗為類似。F1的力矩使頭部向后仰，F(xiàn)2和L的力矩使頭向前俯。你如果在低頭看書，那么，這時(shí)是F2和L的力矩起了作用。如果支點(diǎn)后的肌肉群收縮，F(xiàn)1增大，這時(shí)的頭就要向后仰了。在后仰過(guò)程中，支點(diǎn)前的肌群被拉長(zhǎng)，F(xiàn)2也就隨著增大，至F1的力矩和F2及L的力矩相等時(shí)，你的頭就能在某一角度上靜止下來(lái)了，這一切都是在極短的一瞬間完成的。

你的腳也是杠桿。圖2是人用

腳尖站立的情況。這時(shí)你的腳尖是支點(diǎn)，腳跟后的肌肉收縮提供力F，體重則落在兩者之間的距骨上。這屬于第二類杠桿，和鍘刀、獨(dú)輪車有相似之處，都是阻力居中，這當(dāng)然可以省力，如果力臂再長(zhǎng)些，可以更省力，可見(jiàn)，腳越長(zhǎng)，則用力越小，跑起來(lái)也會(huì)快些，大個(gè)子都比較重，他們的腳也都相應(yīng)地大些，有了較長(zhǎng)的力臂，體重再大些也不會(huì)加重肌肉的負(fù)擔(dān)。

你的手更是杠桿，圖3是手臂

杠桿，這時(shí)你的肘關(guān)節(jié)是支點(diǎn)，支點(diǎn)左右有肌肉(二頭肌和三頭肌)，其作用力分別是F1和F2手中拿著重物L(fēng)，若只分析F2和L，那么這里便是第三類杠桿，是一種費(fèi)力氣的杠桿，這種杠桿雖然費(fèi)力，卻贏得了速度和活動(dòng)的范圍，正象釣魚桿，費(fèi)了力卻延伸了活動(dòng)距離，若把F1也考慮進(jìn)去，則F1和L的力矩將使手臂伸直，而F2的力矩會(huì)使手臂向上彎曲。

血管里的連續(xù)性方程

液體是很難壓縮的。例如1000個(gè)大氣壓強(qiáng)，才能使水的體積減小5%。利用這個(gè)原理，可以制造出液壓機(jī)。在小動(dòng)塞上加一個(gè)較小的力，能在大活塞上產(chǎn)生很大的力。但是，大活塞運(yùn)動(dòng)的速度卻要慢得多，這是因?yàn)榱鞴艿拇痔幜魉俾?，?xì)處流速快，正如長(zhǎng)江三峽水流急，長(zhǎng)江江口水流慢。

圖4中設(shè)S1和S2為流管的垂直截面積，V1和V2為兩處的流速，在穩(wěn)定流動(dòng)的不可壓縮液體里，在同樣的時(shí)間內(nèi)流過(guò)兩截面的液體體積應(yīng)是相等的。因此:

S1V1=S2V2

這說(shuō)明，液體的流速和管的截面積成反比。在流體力學(xué)中，這個(gè)式子叫液流連續(xù)性方程式。

人體里有著大大小小的“河流”——血管，心臟好象一臺(tái)不停息的泵，推動(dòng)著血液從左心室射出，經(jīng)過(guò)動(dòng)脈、毛細(xì)血管、靜脈回到右心房。血管有粗有細(xì)，毛細(xì)血管雖細(xì)，分支卻很多，它的總橫截面積約為315厘米2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主動(dòng)脈的截面積4.5厘米2，因而血液在毛細(xì)血管中的流速是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主動(dòng)脈血流速的，毛細(xì)血管中的血流速度是主動(dòng)脈血流速度的1/700，由于平時(shí)只有一部分毛細(xì)血管中有血液，另一部分毛細(xì)血管是關(guān)閉的，所以人體在靜息狀態(tài)時(shí)毛細(xì)血管中的血流速約為0.05厘米/秒，而主動(dòng)脈中的血流速度約為25厘米/秒，人體利用這套復(fù)雜的血液流動(dòng)系統(tǒng)為各部分輸送著“營(yíng)養(yǎng)”，這是極完美的輸液系統(tǒng)。

在龐大的機(jī)器中，也需要不斷地輸送各種液體，如，自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，要向各處輸送潤(rùn)滑液。工程師可以從自己的血管中得到啟發(fā)，設(shè)計(jì)巧妙的液壓傳遞系統(tǒng)。

人體和大氣壓強(qiáng)

許多機(jī)械都是利用大氣壓強(qiáng)的作用工作的:真空吸盤，抽水機(jī)，離心式水泵……。

人的呼吸就是利用了大氣壓強(qiáng)，吸氣時(shí)，胸腔和腹腔間的橫隔肌收縮，胸腔容積擴(kuò)大，肺里的空氣因?yàn)橄”《鴫簭?qiáng)變小，于是外界的空氣就在大氣壓作用下從鼻孔鉆了進(jìn)來(lái)，當(dāng)呼氣時(shí)，胸腔容積縮小，肺內(nèi)氣體收縮，內(nèi)部壓強(qiáng)高于外界大氣壓，氣體又流了出來(lái)。

你的腿里有個(gè)股骨。如圖5，股骨頭部呈渾圓球形，嵌在體內(nèi)髖

骨臼的凹部，股骨頭和髖骨之間是以關(guān)節(jié)連接起來(lái)的，并由韌帶系住，這樣，大腿便和身子連了起來(lái)。

若是把支持關(guān)節(jié)的韌帶切斷，人的大腿骨是不是會(huì)馬上落下來(lái)呢?人們?cè)诮馄适w時(shí)曾做過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)，切斷韌帶，結(jié)果大腿骨并沒(méi)有落下，后來(lái)，實(shí)驗(yàn)者給骨盆鉆孔，讓大氣透到骨頭里，股骨立即從髖骨的凹處落了下來(lái)。原來(lái)，髖骨和股骨之間的腔內(nèi)是沒(méi)有空氣的，是個(gè)“真空吸球”，股骨巧妙地利用了大氣壓強(qiáng)。

根據(jù)尸體解剖，可以算出作用在股髖關(guān)節(jié)的大氣壓力達(dá)到22公斤左右，超過(guò)下肢重量的2倍，因此我們抬腿走路并不太費(fèi)力。這一點(diǎn)，工程師也是可以借鑒的。

人體和信息

人體里還有更復(fù)雜的物理學(xué)，人體利用熱力學(xué)的原理維持著生命，利用光學(xué)原理觀察著世界，利用聲學(xué)原理傾聽(tīng)著微小的聲音，沒(méi)有一臺(tái)照相機(jī)能勝過(guò)人的眼睛，沒(méi)有一臺(tái)靈敏的儀器可以和人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)媲美，因?yàn)槿梭w的信息系統(tǒng)是極巧妙的。

人通過(guò)眼、耳、鼻、舌、身等感覺(jué)器官，將外界刺激引起的信號(hào)傳輸給大腦，再由大腦發(fā)出指令指揮人的活動(dòng)。這可以看成是一個(gè)反饋系統(tǒng)。

在這個(gè)過(guò)程中，大腦是怎樣處理信息的呢?關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，有許多學(xué)說(shuō)，近年來(lái)由于對(duì)全息儲(chǔ)存認(rèn)識(shí)的深入，有人提出，大腦中信息的儲(chǔ)存和處理，同全息很相似，提出了神經(jīng)全息加工學(xué)說(shuō)。

信息論是當(dāng)代新技術(shù)革命的一項(xiàng)重要內(nèi)容，而我們的身體正是一套完整的信息系統(tǒng)，值得很好研究。

(史可摘自1984年第4期《大眾機(jī)械》)