为什么磁力能持久而人体肌肉却会疲劳

环球物理 2022-09-30 21:30 发表于湖南

以下文章来源于大学物理学 ，作者薛德堡

当你看到这个标题时，也许你觉得这是一个无须回答的问题。因为你相信，自然界的基本作用力本来就是持久性的，磁铁之间的力也是如此；而肌肉会疲劳更是显然的。

的确如此！正是靠磁力的持续作用，人们设计了各种精巧的磁悬浮实验和设备。例如，下面动画中的物体能避免下落，就在于磁力抗衡了重力。对永磁体来说，它的磁力将一直持续，且不需要额外付出任何代价。

然而，在很多人看来，磁力这种无需代价的持续性作用力不同寻常，甚至有点诡异。在他们的认知里，磁力不是通过绳杆连接来维持，而是隔空发力，必然不会持久。

甚至有人认为，磁力就像通过能量消耗而反复获得的某种神秘力量。这可能与某些人武侠片看多了有关，他们觉得磁力就像武林大侠输出的内功。既然乔峰一记降龙十八掌要耗费不少功力，那磁力应该也是无法持久的了。

面对这些荒诞的看法和疑问，你可能会说：“想多了吧，磁力源于运动电荷之间的一种作用，这种作用本来就是持久性的！你还是看书去吧，别光思考而不学习！”

对一个学过物理或有意学物理的人来说，这样回答他，虽不太完美但也基本到位。但是，若对方是一个物理小白，这样回答就有过于敷衍了。

那么，面对这种问题，正确的科普姿势应该是怎样的呢？

简单的说就是，消除错误观念，建立正确的物理图像。

为了达到这个目标，首先要了解和探究提问者的错误观念是什么，这样才能对症下药。之所以说“了解和探究”，一方面可通过询问对方提问的目的来了解他真正关心的是什么；还可通过代入自己到对方知识层次——设身处地，推测他可能的错误观念的症结所在。

对很多人来说，当他们面对一些新的物理问题时，很容易受到已有的生活经验或旧的物理知识的影响。因而先入为主的对某些物理问题产生错误的认知。

例如，有人了解到，持续的气流或水流的冲击能产生力的作用，就像下面图中的乒乓球在吹风机的气流中浮起来了。据此他们相信，磁力也是一种类似的作用力，它需要来自外界的能量供给。因此，他们对磁力能一直持续这件事感到不可思议。

但显然，磁力根本不是某种神秘的气流所导致的，它源于大自然的一种基本相互作用。对磁铁来说，它就是磁铁内部的带电粒子——电子之间的作用。

由于磁铁内部的电子大多都整齐的绕一个方向旋转，这就产生了磁力。只要那些同向旋转的电子保持在那里，它们的相互作用也就一直在那里，宏观上就造成了一种持续的磁力。

对于理解了做功地概念的人来说，当受力磁铁没有移动时，虽然磁力持续作用但实际并未做功，所以也就不需要能量输入了。

其实，这种持久而不需要付出额外代价的力何止是磁力？

最容易想到的，地球上的物体不都受到持久的重力吗？类似的，电荷间的力不也是如此吗？

没错，两个点电荷之间的库仑力是持久的，两个质点之间的万有引力是持久的，各种基本粒子之间的相互作用——强相互作用和弱相互作用，也是持久的。

这些最基本的相互作用正是构筑大千世界种各种力的基本成分。既然它们都对时间持久而无需其他代价，那么世界上的所有力的作用也自然是持久而无需额外的代价。

正因为如此，我们坐在椅子上，地球持久的对我们施加重力作用，而我们的身体对椅子也施加持久的压力，椅子反过来对我们提供持久的支持力。地球、我们和椅子都无需为这些作用付出额外代价。

实际上，在我们日常生活经历的所有作用力中，除了惯性力（它不是相互作用力）和地球给予的我们的引力之外，其他所有的力本质上都是源于电荷间的相互作用——电磁力。

电磁力要么持续地排斥，要么持续地吸引，作用双方无须直接接触。

你眼里各种常见的动作——拉扯，摩擦，拍打，它们本质上都是电磁力导致的，背后的力都是由无数个基本的持久吸引和排斥构成的。

我们坐在椅子上，为什么没有陷进去？这完全可以理解为大量电荷之间的排斥力的集体作用的结果；而绳子之所以能抗拉力，则是源于它内部的大量电荷之间的吸引力；我们用力按在桌面上，桌面会报以持续的反抗力，它与磁铁之间的排斥力是类似的。

既然你对这些力的持久性从不怀疑，而磁力实际上与它们同属电磁力，那么自然的，磁力的持久性也是必然的了！

但这样解释，就算完成科普了吗？

对有些人来说，够了，但对很多人来说，这恐怕还不够！

他们还是觉得蹊跷：力既然是持久的，只要不做功的话，就应该不需要付出代价，但为什么实际中很多时候，即使不做功，却仍旧需要付出代价呢？

例如，当你举起一个重物时，即使站着不动，你的体力也在不断地被消耗。过一会儿你就开始两股战战，累的够呛。显然，你提供的“举力”需要能量来维持，但重力却只是简单地、毫无代价的持续着。结果是，你在对重力的挑战中败下阵来。

再例如，当你用力捏住握力器不动时，你的精力在持续消耗，手开始感觉酸溜溜的，握力也变得飘忽不定，但那弹簧却持续的对抗着你的小肉手，直到你放弃为止。在小小的弹簧面前，你又完败了！

这个问题曾经困扰了很多人，还有很多学过大学物理的人仍旧不知道如何回答这一问题。原因在于，它不是一个纯粹的物理问题，理解它还需要一点生理学知识。

按照生理学，人体的力是由肌肉负责产生的。人体肌肉为639块，分为三种，分别是骨骼肌、平滑肌和心肌。

骨骼肌，就是使骨头活动的肌肉。因它们的活动既受神经支配，又受意识的控制，所以又称随意肌。收缩的特点是快而有力 。它能在意识控制下做强力的收缩，人的四肢、躯干上可以自由活动的肌肉都属于这一类。骨骼肌的缺点是不能长久的维持收缩状态。

平滑肌，即人体内脏大部分的肌肉。平滑肌也叫不随意肌，因为它不受意识支配，不能随意活动，因此保持长期收缩或放松。其收缩力不大，缓慢但持久。

心肌，即心脏所特有的肌肉组织，它能自动地有节律地收缩。心肌也是不随意肌，这使得心脏能以固定的速率跳动，而不随人的意志而改变。

根据上面的介绍可知，骨骼肌能快速响应神经脉冲并产生强力。当我们手提或举起重物时，就是靠神经信号驱动骨骼肌收缩来完成的。

对每个神经脉冲，肌肉虽然响应快，但持续的时间非常短。由于人的意识命令肌肉继续保持收缩，在此过程中，相应的神经信号也反复发送，骨骼肌只好不断地做出响应。

在长时间的用力过程中，神经信号的发送和响应本身也在消耗体力，时间长了，肌肉响应慢慢就有点跟不上了，肌肉开始频繁的抽搐，这就导致了肌肉疲劳，从而表现出酸痛的感觉，这表明人的体力在消耗中。

与骨骼肌不同，平滑肌是无意识的。它只是缓慢的活动，可以持久的保持一种稳定的姿态，不会像骨骼肌那样频繁的响应神经脉冲而导致疲劳。

例如，软体动物蛤蜊的闭壳肌就是一种平滑肌。它一旦保持某个姿态，就能使蛤蜊的外壳保持在某个张合程度，一定限度内的力无法改变壳的位置。这种肌肉类似于积木一样，彼此之间保持楔合，其肌肉纤维彼此勾连而不动，也不会消耗能量，但能提供持久的作用力。

当我们站立或坐卧时，之所以感觉不累，就是因为平滑肌能持久的维持作用的缘故。

综上可知，人体意识驱动下的骨骼肌用力即使不做物理上的功，但由于肌肉反复响应神经信号而消耗了能量，这相当于也做了功，可以理解为“生理”上的功。

这就是为什么你举起或提起重物时，即使保持不动却会消耗人体能量的原因。

现在你应该明白了，磁力之所以能持久，在于它只是一种基本力罢了，自然界的基本力本来就是持久的。而未作物理功的人体肌肉之所以也会疲劳，是因为肌肉做了生理上的功的缘故。

最后再聊聊本文的写作动机和背景。

很早之前，笔者就完成了本文的前半部分。即关于为什么磁铁会持久地相互排斥和吸引的问题。然后一直没再写了，直到前天晚上在一个群里偶然看到一段关于生理功的文字，这才记起先前差点太监的文章，于是完成了第二部分。

本文的主要思想均来自著名的物理学家、诺贝尔物理奖获得者理查德·费曼，所涉及的背景素材主要有两个方面。

一是在纪录片《FUN TO IMAGINE》中费曼对磁力的有趣解释；二是费曼在他的著作《The Feynman Lectures on Physics, Volume I 》中对“功”这一概念的详细解释，感谢一位渊博的老师在群中分享了该内容。

下面是记录片《FUN TO IMAGINE》中有关Magnets的节选部分。

费曼不愧是科普大师，他通过一个个通俗而浅显的比拟，说明面对不同的对象时，应该如何恰到好处地做好科普。

简单的说，为了更好地给别人科普物理，我们要根据对方的知识层次和对物理理解程度的不同，选择不同的解释方案。但无论怎样解释，都必须坚持诚实和准确，决不能用那种不恰当的比喻来试图蒙混过关。

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