科普：挑擔子中的物理學

今天在網上沖浪的時候看到了下面這樣一段話。

爬山的時候會發現這樣的現象：挑擔子的往往比散步的游客走得要快。之所以如此，是因為二者心態不同，挑夫肩上有擔子，眼中有想到達的目標，不用揚鞭自奮蹄；散步者往往一身輕松，到達目的地的愿望也并不急切，走到哪里算哪里，自然放慢了腳步。

作為一個物理專業出身的科普作者，對這段話很不以為然。所以，我決定用物理學來為您解釋一下，為什么挑擔子的人走得要快？

人在行走過程中，由于人體姿勢不停地發生改變，人的肩部位置也在不停地發生變化。由于人的行走運動具有周期性，所以人的肩部在人的行走過程中的位置變化也應有這一特點。在行走過程中，雙腿的支撐和擺動交替進行，再加上上肢的擺動以及軀干的扭動使得人體的肩部產生移動。

在與地面垂直方向上，肩部的的運動呈現出上下波動，波動頻率與步頻相同；在與前進方向垂直的左右方向同樣存在這樣一個頻率的晃動，只是幅度比較小；同時肩部還有一個以人體垂直方向的中軸為軸的旋轉運動。

當然了，肩部還跟隨整個人體一起存在一個前進方向上的直線運動。只不過這個運動并非一個勻速直線運動，而是一個速度在某個小范圍內的變速運動。觀察這個運動，只要你端一杯水走路就能看出來，不論你多小心都不能保證水面一動不動。

這里之所以要先說肩部的運動，是因為挑擔子的時候，肩部是人體與擔子的連接處，也是擔子的支點。挑擔子行走與正常行走時肩部運動的區別是運動幅度減小，但同樣存在前面所說的4種肩部運動方式。

估計大多數讀者都沒挑過擔子，我也僅有寥寥幾次經驗，不過這不妨礙我們觀察，鄉下或者一些景點仍然能看到挑擔子的人，城市里也偶爾有挑著擔子走街串巷的賣貨人。

如果你仔細觀測會發現扁擔有這樣的運動規律：1、整根扁擔像一根上下振動的琴弦，振動頻率與挑擔人的步頻相同；2、扁擔的方向與前進方向的夾角基本保持不變。

如果你同時觀察挑著擔子的人，會發現這個人的動作也與正常走路有區別：1、步幅比較小；2、步頻比較高；3、行進接近勻速直線；4、上身除了無法避免的垂直方向的起伏運動之外，左右的搖擺幅度沒有或者非常微弱，更看不見肩部以身體中軸為軸的旋轉運動。

當人挑著擔子站立不動的時候，扁擔兩端在重物的作用下自然向下彎曲，保持靜止。一旦人行走起來，擔子的中心支點就會隨著肩部的運動而運動。前文我們說了，正常行走的時候肩部運動是4個運動的合成。但挑著擔子的時候，肩部的主要運動是上下的起伏運動。

隨著行進中肩部的上下起伏，由于扁擔兩端的重物擁有慣性（物體保持原來運動狀態的能力），所以扁擔兩端是在受迫狀態下開始跟隨運動。這種運動連貫起來，看上去就像扁擔在發生上下振動一樣了。

這也能解釋“為什么挑擔子的人都選用軟扁擔”的原因。如果是一根硬扁擔，行進中當肩部上升時，腿部肌肉就不僅僅要克服自身的重量和擔子的壓力，還要克服由于肩上擔子所傳遞的物體加速運動所帶來的額外壓力。而一根軟扁擔，傳遞給腿的壓力只是人體的重量加上擔子的重量。

所以說，用軟扁擔，挑擔子人邁步前進的時候，腿部需要的力量比用硬扁擔小。

在行進方向上，扁擔以及所掛的重物與人體同步保持一種接近勻速的運動狀態，這也是因為慣性的原因。挑在肩上的扁擔，一旦方向與前進的方向固定，在慣性的作用下，就會保持這個方向。如果挑擔子的人，突然變向，很容易被保持慣性運動的扁擔拉扯而摔倒。

人向前走路其實就是一次又一次向前旋轉“跌倒”，這個旋轉的中心就是支撐腿與地面的接觸點。這種傾跌趨勢，跟人體的重量和跨出步子的大小是有關的。向前傾跌的趨勢越厲害，邁出的那只腳，在著地時與地面沖擊得越重，這樣不但人要感到吃力，步子也不容易跨穩。

挑著重擔走路，等于人體的重量突然增加了許多，向前移步時的傾跌趨勢就很厲害。縮小跨出的步子，可以適當減小這種傾倒趨勢；迅速邁出后腳，可以防止真的跌倒。因此，挑重擔的人，走路的步子總是又小又急，這就成了小跑步了。

另外，挑重擔時步子短促，可以使人在行進方向上保持速度均勻，這樣擔子也可以勻速地跟著人向前移動。如果步子又大又慢，擔子非但不能在前進方向保持勻速，更在水平面內產生與行進方向垂直的左右擺動也會加劇，擔子就更不好挑了。

說實話，擔子真不是那么容易挑的，尤其是，如果你一點經驗都沒有，上來就挑兩桶水這種重量比較大的擔子，大概率是走不了幾步就要摔跤。

這其中的原因就是，你很難第一次挑擔子就能找到擔子的固有頻率。并且保持自己的步頻與擔子的固有頻率相一致。并且控制好自己的行進一直保持一個近似勻速直線運動。

另外，由于肩部受到扁擔的約束，在挑擔行進中不能同正常走路那樣通過上身沿著身體中軸旋轉和擺臂來減輕腿部消耗和保持平衡，這進一步增加了挑擔的難度。

人雙腳交替向前，肩部高低變化可以激勵扁擔作為懸臂梁牽引荷物上下振動；而行走速度的脈動可以引起懸掛于扁擔兩端的荷物前后擺動，繩索對扁擔的水作用力和豎直作用力均周期變化，后者可引起扁擔振動而得到放大。合適的扁擔可以使挑擔者在肩部承載較小時邁步向前。會挑擔的人起肩時常有意識地對扁擔初始激振，確認扁擔的固有頻率，隨節奏而邁步。

本文沒有用實驗的辦法對扁擔的慣性和固有頻率對挑擔的影響進行嚴格的數據論證，有機會，我會單獨做一個模擬扁擔的實驗，并以實驗報告的形式，對這個問題進行詳細介紹。

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