人体里的谜

李应钦

世间最完美的机械是什么?就是你，就是我，就是他，就是人体。人体里有最简单的杠杆，也有最复杂的仪器。到目前为止，人体里仍然有着许多谜。你想知道这些谜吗?那么，请读——

人体里的杠杆

人类最早发明的机械大概是撬棍。也许在猿人时代，我们的祖先就使用过撬棍，撬棍就是杠杆的一种，而在人体里有着许多杠杆。

你的头就是杠杆。如图1，这时的支点是脊柱之顶(寰椎)，支点前后各有一肌肉群，它们的作用力分别是F1和F2，头颅的重量是阻力L。这种杠杆属于支点位于中间的第一类杠杆，和塔式起重机颇为类似。F1的力矩使头部向后仰，F2和L的力矩使头向前俯。你如果在低头看书，那么，这时是F2和L的力矩起了作用。如果支点后的肌肉群收缩，F1增大，这时的头就要向后仰了。在后仰过程中，支点前的肌群被拉长，F2也就随着增大，至F1的力矩和F2及L的力矩相等时，你的头就能在某一角度上静止下来了，这一切都是在极短的一瞬间完成的。

你的脚也是杠杆。图2是人用

脚尖站立的情况。这时你的脚尖是支点，脚跟后的肌肉收缩提供力F，体重则落在两者之间的距骨上。这属于第二类杠杆，和铡刀、独轮车有相似之处，都是阻力居中，这当然可以省力，如果力臂再长些，可以更省力，可见，脚越长，则用力越小，跑起来也会快些，大个子都比较重，他们的脚也都相应地大些，有了较长的力臂，体重再大些也不会加重肌肉的负担。

你的手更是杠杆，图3是手臂

杠杆，这时你的肘关节是支点，支点左右有肌肉(二头肌和三头肌)，其作用力分别是F1和F2手中拿着重物L，若只分析F2和L，那么这里便是第三类杠杆，是一种费力气的杠杆，这种杠杆虽然费力，却赢得了速度和活动的范围，正象钓鱼杆，费了力却延伸了活动距离，若把F1也考虑进去，则F1和L的力矩将使手臂伸直，而F2的力矩会使手臂向上弯曲。

血管里的连续性方程

液体是很难压缩的。例如1000个大气压强，才能使水的体积减小5%。利用这个原理，可以制造出液压机。在小动塞上加一个较小的力，能在大活塞上产生很大的力。但是，大活塞运动的速度却要慢得多，这是因为流管的粗处流速慢，细处流速快，正如长江三峡水流急，长江江口水流慢。

图4中设S1和S2为流管的垂直截面积，V1和V2为两处的流速，在稳定流动的不可压缩液体里，在同样的时间内流过两截面的液体体积应是相等的。因此:

S1V1=S2V2

这说明，液体的流速和管的截面积成反比。在流体力学中，这个式子叫液流连续性方程式。

人体里有着大大小小的“河流”——血管，心脏好象一台不停息的泵，推动着血液从左心室射出，经过动脉、毛细血管、静脉回到右心房。血管有粗有细，毛细血管虽细，分支却很多，它的总横截面积约为315厘米2，远远大于主动脉的截面积4.5厘米2，因而血液在毛细血管中的流速是远远小于主动脉血流速的，毛细血管中的血流速度是主动脉血流速度的1/700，由于平时只有一部分毛细血管中有血液，另一部分毛细血管是关闭的，所以人体在静息状态时毛细血管中的血流速约为0.05厘米/秒，而主动脉中的血流速度约为25厘米/秒，人体利用这套复杂的血液流动系统为各部分输送着“营养”，这是极完美的输液系统。

在庞大的机器中，也需要不断地输送各种液体，如，自动润滑系统，要向各处输送润滑液。工程师可以从自己的血管中得到启发，设计巧妙的液压传递系统。

人体和大气压强

许多机械都是利用大气压强的作用工作的:真空吸盘，抽水机，离心式水泵……。

人的呼吸就是利用了大气压强，吸气时，胸腔和腹腔间的横隔肌收缩，胸腔容积扩大，肺里的空气因为稀薄而压强变小，于是外界的空气就在大气压作用下从鼻孔钻了进来，当呼气时，胸腔容积缩小，肺内气体收缩，内部压强高于外界大气压，气体又流了出来。

你的腿里有个股骨。如图5，股骨头部呈浑圆球形，嵌在体内髋

骨臼的凹部，股骨头和髋骨之间是以关节连接起来的，并由韧带系住，这样，大腿便和身子连了起来。

若是把支持关节的韧带切断，人的大腿骨是不是会马上落下来呢?人们在解剖尸体时曾做过这样的实验，切断韧带，结果大腿骨并没有落下，后来，实验者给骨盆钻孔，让大气透到骨头里，股骨立即从髋骨的凹处落了下来。原来，髋骨和股骨之间的腔内是没有空气的，是个“真空吸球”，股骨巧妙地利用了大气压强。

根据尸体解剖，可以算出作用在股髋关节的大气压力达到22公斤左右，超过下肢重量的2倍，因此我们抬腿走路并不太费力。这一点，工程师也是可以借鉴的。

人体和信息

人体里还有更复杂的物理学，人体利用热力学的原理维持着生命，利用光学原理观察着世界，利用声学原理倾听着微小的声音，没有一台照相机能胜过人的眼睛，没有一台灵敏的仪器可以和人的听觉系统媲美，因为人体的信息系统是极巧妙的。

人通过眼、耳、鼻、舌、身等感觉器官，将外界刺激引起的信号传输给大脑，再由大脑发出指令指挥人的活动。这可以看成是一个反馈系统。

在这个过程中，大脑是怎样处理信息的呢?关于这个问题，有许多学说，近年来由于对全息储存认识的深入，有人提出，大脑中信息的储存和处理，同全息很相似，提出了神经全息加工学说。

信息论是当代新技术革命的一项重要内容，而我们的身体正是一套完整的信息系统，值得很好研究。

(史可摘自1984年第4期《大众机械》)