【官方雙語】蚱蜢驚人的彈跳力從何而來？

這是蝗蟲腿部內部的結構，使其能夠跳得如此之高。 而且這真的很巧妙，因為它解決了動物肌肉的一個根本性限制。 人類也面臨相同的限制，但我們能透過工具克服這一點。 事實上，這其實是兩個限制。 我將首先向您展示人類是如何應對這個問題的，因為這非常具有啟發性。 然後我們將看到相同的機械原理也出現在蝗蟲的體內。 這裡有一個人類可能會遇到的問題。 我遠處有一個物件，我想把它刺穿一個 пара。 這裡我有一顆小小的鋼珠。 所以我覺得，只要我能讓球滾得夠快，等到它到達那樣東西的時候， 也許它會刺穿一個洞。 我想，嗯，我該怎麼做呢？我會用我的手臂把它扔出去。 問題在於鋼珠相當輕。 這意味著它對我的肌肉提供的慣性阻力並不大。 因此我的手最終會移動得非常快。 事實上，肌肉需要一點時間才能達到最大的力量。 當球離開我的手臂時，我還遠未使出最大力量。 這是肌肉的第一個限制。 其實，這並不太難克服，而且方式還相當出人意料。 那只是讓球變得更重而已。 所以這個球的慣性大得多。 所以我的手臂在投掷時移動會比較慢。 但至少這能讓我肌肉有機會發揮出最大力量。 而且因為它更重，所以會具有更多的動能， 當擊中目標時，其穿刺能力將更強。 但這正是肌肉所面臨的重大局限所在。 你可以施加一個大的力但緩慢地進行，或施加一個小的力但以高速進行。 而且這是你曾經經歷過的，就像你曾經舉過重物一樣， 如果它讓你覺得沉重，你就必須慢慢地抬起它。 這很合乎直覺。 但它在數學上也有其道理， 因為你所感受到的是肌肉所能發揮的最大功率。 你知道的，功率就是衡量你能夠多快地輸出能量的指標。 換句話說，就是能量除以時間。 但你可能也知道，能量等於力乘以在力的方向上移動的距離。 如果我們將各項重新排列，使力項獨自位於一邊， 現在你會發現，功率也等於力乘以速度。 因此，既然你的肌肉有最大功率輸出， 這就解釋了為什麼你可以讓一個小力量快速移動 或是一支大部隊緩慢前進。 但如果我想讓其中任何一個球離開我的手時具有足夠的速度 當目標抵達時，我需要以高速施加巨大的力量來刺穿它。 但以我的體力，我無法兩件事都做。 這正是工具發揮作用之處。 此情況下的工具是一把彈弓。 在英國，我們稱之為彈弓。 但這有點令人困惑，因為其他東西也叫做投石機。 所以我大概還是會叫它彈弓。 這東西的彈性真的很強。 因此，要把它拉回來，我必須施加一個很大的力。 這意味著我必須慢慢地移動我的肌肉。 但這沒關係，因為我正在儲存所有的能量。 如彈弓中的彈性勢能。 而彈弓沒有我肌肉的那些限制。 它可以快速地以很大的力量移動。 因此，彈弓是一種機械動力放大裝置的範例。 人類發明了無數這樣的東西。 另一個明顯的例子是弓和箭。 我用一股巨大的力量緩慢地拉動弓弦，使其彎曲。 並再次將能量儲存為彈性位能。 而且所有這些能量都可以透過弓以很大的力量迅速傳遞。 我最喜歡的例子之一是一個烤肉用的打火機。 內部有一顆石英水晶。 如果你用力敲擊它，就會產生電火花。 這兩根導線將電火花傳送到尖端，使其點燃火焰。 但你永遠無法擊打到足夠強勁的程度。 就像移動你的手指那短短的一段距離一樣。 因此，你實際上是緩慢地施加一個很大的力，對吧？ 這會壓縮一個彈簧。 因此，所有的能量都儲存在彈簧中。 在某個時刻，你下潛得足夠深，就會釋放一個卡扣。 而儲存在彈簧中的所有能量會以巨大的力量迅速釋放。 足夠的力道擊中水晶，便能產生火花。 手槍上的擊錘作用方式與烤肉用的打火機相同。 順帶一提，在所有這些例子中，我們從來沒有使用外部能源。 所有的能量都來自你的身體。 它只是緩慢儲存，快速釋放。 即使是火花中的電能，最終也來自你的肌肉。 所以人類就發現了這一點。 但是蝗蟲呢？ 蚱蜢的身體裡有類似彈弓或弓箭的東西嗎？ 這裡有一張蝗蟲後腿的圖示。 而且有兩條肌腱。 顯示為紅色的那條腿在伸展。 這就稱為伸肌腱。 而藍色的那隻則彎曲了腿部。 這就稱為屈肌腱。 當然，每條肌腱都由肌肉拉動。 在我的模型中，就只是這兩條繩子而已。 屈肌腱為藍色，伸肌腱為紅色。 你可以看到，這只是一個以該點為支點的槓桿。 這是膝關節。 那塊伸肌很大。 就像令人驚訝的是，在一隻像蝗蟲的大蚱蜢身上， 那塊伸肌可產生幾乎15牛頓的力。 這意味著兩隻後腿同時著地。 一只蚱蜢可以提起這三袋糖。 因此，峰值力量非常大。 但不幸的是，達到最大力量需要一段時間。 大約300毫秒，聽起來並不多。 但蚱蜢只需30毫秒。 一旦起跳開始，就必須離開地面。 因此，當最大作用力達到時， 什麼都無法作為推擠的支點。 這有點像我之前肱三頭肌遇到的問題。 然後還有最大功率的嚴重限制 我們之前談到的那件事。 例如，一隻蝗蟲可以深蹲舉起三公斤。 但他只能非常、非常緩慢地做到這一點。 而且這對跳躍毫無用處。 所以蚱蜢需要類似於弓的東西， 一種能夠儲存能量並迅速釋放的裝置。 這實際上是從外部就能看到的。 將左邊的跳躍腿與右邊的中間腿進行比較。 你所能看到的一切都是外骨骼。 但較暗的區域是另一種類型的外骨骼。 它要僵硬得多，儲存大量彈性能量的效果也更好。 你可以在這段影片中看到，它在踢出之前是如何彎曲的。 順便一提，這些影片和動畫大多來自比爾·休珀博士的網站。 這對這支影片來說是一個極其寶貴的資源。 描述中的連結。 因此，在我們的模型中，我們加入了一個彈簧來代表那種專用的外骨骼。 我還在這裡加了這個手柄。 那不是蝗蟲身體的一部分。 那只是用來給我微弱的肌肉提供足夠的機械優勢罷了 能夠表現蚱蜢伸肌的龐大力量。 那麼，這是整個過程的順序。 首先，屈肌腱將腿拉起並使其保持在該位置。 因此，當伸肌收縮時， 不會導致腿部踢出 因為它被屈肌固定住。 相反，這將導致該彈簧收縮， 要知道，對於蝗蟲來說，情況正是如此。 實際上是一塊非常僵硬且高度特化的外骨骼結構 那將會彎曲得像弓箭手的弓一樣。 而且由於它如此僵硬，伸肌必須施加很大的力量， 這意味著它必須緩慢移動。 這完全沒問題，因為它所做的是 將所有能量儲存在ɶ簧中。 然後蚱蜢所要做的就是放鬆屈肌 所有這些能量會以巨大的力量迅速傳遞。 但這還不是全部的故事 因為屈肌比伸肌弱得多。 例如，伸肌可產生高達15牛頓的力。 但屈肌可產生高達約0.7牛頓的力。 那麼，屈肌是如何能夠將腿部固定在原位的呢？ 對抗著強大得多的伸肌力量，而這股力量正與其作用方向相反？ 嗯，有兩件事。 第一是機械優勢。 你會注意到這條肌腱的位置 遠離轉軸點，遠遠超過這條肌腱。 因此，這個比那個具有機械優勢。 但即使如此仍不夠。 蚱蜢膝關節內部其實有一個小小的凸起。 而屈肌腱則繞過那個突起部分。 所以我在此處放一根棒，讓屈肌腱繞過。 因此，當屈肌腱被拉動，腿部達到此位置時， 你看到肌腱幾乎垂直地離開腿部嗎？ 因此，幾乎所有的肌腱力量都用來使腿部繞著轉軸旋轉。 而如果你觀察伸肌肌腱與腿部接合處的角度， 這是個較淺的角度。 因此，僅有該力的垂直分量 其作用是使腿部繞著轉軸點向相反方向旋轉。 正是這兩個因素的結合，導致了較為薄弱的屈肌。 能夠抵禦伸肌較強的肌肉力量，將腿固定在原位。 自然界中存在各種不同的機械功率放大機制。 而且，觀察各種類型實在非常有趣。 例如，葉蟬。 它是動物界中加速度最大的物種之一，可達到500G。 它是先將腿抬起來貼近胸部，對吧？ 所以想像一下，蚱蜢的身體在這裡。 這是胸膛，這是抬起的腿。 他們彼此緊緊相貼，彷彿有著類似於黏扣帶的黏性。 所以我那裡貼了一些鉤毛背墊。 然後一塊肌肉試圖將腿拉出來， 但它透過某種類似彈性物體的東西來實現，就像這樣。 因此，這是一種緩慢施加的大力。 能量正在那個彈性介質中累積，直到最後魔鬼氈終於失效。 所有這些能量會以巨大的力量迅速釋放出來。 人類的類似物可能會像一種馬鈴薯槍一樣， 你積聚能量，直到某個地方終於崩潰為止。 在這種情況下，你正在積聚壓力，直到馬鈴薯密封處破裂為止。 至於捕獲機制呢？ 你在自然界裡有看到過這些東西嗎？ 人類經常使用繩索來抵禦巨大的力量。 有一個設計，只需施加很小的力即可釋放。 結果發現，陷阱鉗蟻使用一種卡扣機構來保持其口器張開。 然後，它用一股巨大的力量，緩慢地在下頜後方積聚能量。 然後它用一股小力量釋放卡扣 使下顎猛然閉合，夾住螞蟻的獵物。 順帶一提，這段影像來自螞蟻實驗室。 連結至他們精彩影片的連結請見卡片及描述。 因此，蟻類的捕蟻鉗機制與十字弓並不完全相同。 意思是能量累積階段發生在捕獲裝置安裝完成之後。 這感覺有點像是我將十字弓的弓弦鎖定時，它還鬆弛著。 直到那時，我才把弦拉緊。 對。這就是我被一個巨大的支线任务分心的地方。 我希望你會跟我一起去，因為這真的非常有趣。 因此，在考慮所有這些不同的功率放大機制時， 我想到了一個。 我心想，我肯定以前在某個裝置上見過這個。 但我好奇這在自然界中是否真的發生過。 所以我把這東西列印出來用來示範。 隨著橡皮筋越來越拉伸，打開這個東西也變得越來越困難。 但實際上，超過某個程度後，情況又會變得更容易。 這是因為彈性材質的傾斜角度較小。 只有彈性力的一小部分分量垂直於臂。 於是變得越來越容易，越來越容易，越來越容易，直到它經過那裡的轉折點為止。 實際上現在它稍微把它撐開了一點。 而且你只需要一支非常小的隊伍就能再次關上它。 我確定我曾在某個裝置上見過類似的機制。 但我就是想不起它在哪裡，這實在令人懊惱。 我甚至為這件事建立了一種替代的表現形式。 所以，這個是一個符合規定的機制。 這是一個雙穩態開關。 順便一提，這不是我設計的。 而且看，它在這兩種配置之間切換。 而且，要在兩個穩定狀態之間切換，需要很大的力量。 但看，如果我把它調到兩個穩定狀態的中間位置， 就在你剛剛克服那股能量低潮的時候， 你幾乎不用費什麼力氣就能把它移來移去。 你知道，這就像你終於度過了最艱難的階段 然後它迅速移向另一個穩定的配置。 但如果在那裡加個小突起，對吧？ 因此，就在你剛剛克服能量瓶頸之際，問題的核心卻仍橫在眼前。 因此，你幾乎不需要施加任何力量，就能將它恢復到最初的穩定狀態。 而且我相當確定這跟這個是同一類東西，對吧？ 你剛好越過那道能量障礙。 你知道嗎，它變得越來越容易，越來越容易，越來越容易。 你剛過了那個隆起處，接下來就彷彿處於一觸即發的狀態。 但我仍然想不出有任何裝置會採用這種機制。 然後我跟一些人談了談。 如果你有任何想法，請告訴我，因為這支影片兩天後就要發出了。 很多人有想法。 順便一提，我們年底演出的門票幾天後就要開售了。 我會在說明中提供連結。 有些人說，那捕鼠器呢？ 但這並非完全相同的機制。 就像你在上發條捕鼠器時，用力將那部分往後拉的那一刻， 越來越難，越來越難，越來越難，一直難下去。 然後你對它施加一個誘捕。 所以這和這個不一樣，對吧？ 就在最後那裡，開始變得容易起來。 大衛並沒有實際建議使用 lever arch 檔案夾， 就像我示範的那樣。 一開始很難移動。 但看吧，最終這幾乎只是左右移動。 所以在那個時刻，不需要太大的力氣就能移動它。 你不是在與這個春天對抗。 而且要是沒有那股摩擦力，它就會很容易彈起來。 而且很容易出現。 史蒂芬·史密斯提到了這些Boompf卡片。 看，它們從內部彈出成一個立方體。 有一條橡皮筋。 當你接近平坦的路面時，幾乎完全沒有阻力。 因為在那個點，橡皮筋的長度並沒有真正改變。 但卡片本身有足夠的彈性讓它開始運作。 我最喜歡的建議來自馬特·巴林頓。 複合弓在達到某一點後，反而會變得更容易向後拉。 這樣在拉伸位置時更容易握住。 將這種體驗與普通的弓箭射擊進行比較 你的手臂因全力拉弓而微微顫抖。 這是一個巧妙的主意，不是嗎？ 原來人類曾多次使用過這種機制。 但我沒有在自然界中找到它的例子。 如果你能想到任何一個，請告訴我。 你知道，不管怎麼樣試圖對自然世界進行分類， 你總會找到一些例外，足以挑戰你的歸類規則。 就像哺乳動物不會下蛋，或魚不會飛，諸如此類的規則。 所以我必須小心，因為我剛才有點暗示了那樣 人類總是透過使用工具來增強自己的能力 動物總是利用它們的身體。 但實際上，我可以想到這兩條規則都有一個例外。 例如，像 snapping your fingers 一樣 直接嘗試，不要使用電力放大。 這聲音相當微弱。 我們實際上所做的，是將拇指和食指對壓在一起。 並逐漸在肌肉、肌腱和關節中積累彈性能量， 然後我們迅速釋放它，你就會聽到手指彈響的聲音。 目前僅有一個已知的動物例子 利用自身身體以外的東西來放大機械動力， 那就是彈弓蜘蛛。 它將彈性勢能儲存在自己的網中。 然後將所有能量突然轉 Consulting 到網上 並以自身身體作為捕食的工具。 那不是很酷嗎？ 希望您喜歡這段影片。 如果你這麼做了，別忘了按讚訂閱 而且這個演算法認為她接下來會喜歡這支影片。