我们的1654 第729章

  思考：

  1.跳蚤，跳的高度可达身体长度的百倍以上。假如跳蚤如《跳蚤之歌》里的情况，可以长大，设跳蚤原始长度3毫米，长到1000毫米，体型不变。那跳蚤可以跳身体长度的多少倍？*

  2.举重比赛，按照选手的体重分级进行。类型分为抓举和挺举。尝试计算各个级别冠军选手比赛时的功率，并把功率和体重进行比较。*

  3.拳击也按照体重分级。最轻的是48公斤级别，最重的是86公斤以上级。虽然重量级选手敏捷低于迷你轻量级，但是绝对力量差异太大。并且重量级攻击范围大，纯粹是虐待。所以公平竞争就设置在同一层面进行，不是死亡竞赛。

  4.现在动物的尾巴一般是起平衡作用，在运动时，尾巴的移动可以让身体在快速奔跑中转向。恐龙时代的大型草食动物，经常有个大尾巴，除了平衡身体外，是对付肉食恐龙的有力武器。虽然动作迟缓，但尾巴会对较小肉食的恐龙造成致命打击。可以说挨一下就离死不远。

  5.在直径细小的管道中，水分子和管壁之间有吸引力（成为附着力），而水分子之间有吸引力（称为内聚力）。如果附着力大于内聚力，那么水就自动在管道内上升，当表面张力和上升形成的重力达到平衡时，上升停止。管道越细，则管道的侧面积相比管道的体积越大！而表面张力和管道内径同尺度下降，但水的重量则是二重尺度下降。因此水上升更高的高度。这一现象称为毛细现象。当树木的高度超过10米后，可以想象，树叶的水分全凭毛细管道输送水。

  人体的支撑是骨骼。当外在力量过大时，骨骼无法承受，发生断裂。断裂有2种情况，骨折和线性骨折，分别是横向断裂和纵向断裂。一般横向断裂比较普遍，那么骨骼的承受力就和骨骼的橫截面相关。如同肌肉情况，骨骼在人体身高增加时，承受力增加速度赶不上体重的增加速度，相比以前承受能力下降！

  老鼠上窜下跳，下落高度是身体长度的若干倍，不需要缓冲，直接就跑了。猫的体型比老鼠大4倍以上，但也可经受高空下坠。小孩子经常摔跤，哇哇大哭，但是不容易受伤。相对骨骼和体重，体型越小，越不容易受伤。英国小说《格列佛游记》，里面有大人国和小人国。按照上述分析，大人国的人都不能咳嗽，一咳嗽就骨折。而小说里面小人国的人摔伤了，这个不应该。现在有很多电脑动画技术包装出来的所谓大片，经常出现一些巨大无比的神奇动物。比如说大猩猩，手掌里面可以坐个成年人，快赶上乐山大佛了。在电影里面，大猩猩金刚呼风唤雨，挥斥方遒，动作敏捷的像只猫。先不说基因能不能让金刚长这么大，就它的动作，保准浑身粉碎性骨折，摔倒在地，进一步将骨骼细小化。而且头不能着地，不然马上头骨破裂。但控制头部的颈椎无法阻止头部的惯性，立刻脖子折了。结局只有一个：死亡。地球上出现最大的陆行动物是梁龙科恐龙，除去那些脖子和尾部，躯干最长也就10多米。缓慢地行走在侏罗纪森林草原边缘。

  思考：

  1.篮球运动员经常脚踝受伤，足球运动员经常膝盖受伤。观察那些易受伤运动员的体型和人种差异。当然技术因素很重要，技术好了就不容易受伤。换而言之，可以将受力缓冲下来或用更结实的部位承受。

  2.陆地上的动物，个头最大、体重最重的动物都是草食动物。目前最大的是非洲象，肉食动物最大的是北极熊。但非洲象比北极熊大得多，为什么？恐龙时代的肉食恐龙最大的是棘龙，体长17米，体重8吨。根本无法和100吨以上的草食恐龙比较。目前地球上最大的动物是海中的鲸鱼，在恐龙灭绝后1000万年开始进入水中。其祖先是偶蹄动物，和河马关系比较近。蓝鲸可以长到30米，体重150吨以上。并且不像30米长的恐龙，依靠脖子和尾部凑数。蓝鲸可是实打实的从头到尾都流线型，都是肉。和通常的白色鱼肉不同，鲸肉和牛肉差不多。巨大的鲸鱼张大嘴，滤食浮游生物，或对着磷虾群肆虐。虎鲸是最大的海豚，常常捕食其他海洋哺乳动物。体长8米，体重5吨。同样在海洋中，最大体型的也是类似于草食行为，而肉食类型的体型相对小。为什么海中动物可以长得如此庞大？

  3.眼睛。草食动物的眼睛都长在头部的两侧。而肉食动物的眼睛都长在头部的前方。双眼在前方，方便定位方向、距离，利于安排捕食方案。眼睛长在两侧，方便观察四周，同时这些动物的耳朵还可以转动，进行被动声音侦测。在视线不佳的情况下，某些肉食动物可进行主动声音侦测，比如蝙蝠、海豚。如同探照灯的效果。另外一些可夜行的肉食动物，视网膜后面有反光层，增强视力。在晚上看起来眼睛发亮，像个小灯泡似的。如果动物生存环境中没有太大威胁存在，那么眼睛也趋向前方，便于搜索食物。考古发现动物头骨，眼睛的位置，结合其他部位的骨骼化石，就可以大致确定动物究竟是草食还是肉食。（极端情况，野兔逃跑时，不必回头，双眼就可以聚集在身体后方，观察捕食者。）

  4.支撑身体的骨骼，基本都是圆柱形，为什么不是扁的？事实上，圆柱形的骨骼抗弯折能力最强。扁的骨骼有一个方向抗弯折能力强，一个方向弱。身体的支撑框架，并不确定意外受力的方向，因此需要保持各个方向都有相同的抗弯能力。在身体某些部位，因为结构的关系，可以保证受力一定是特定方向时，骨骼就可以长成扁的、或其他形状。

  5.骨折中线性骨折很少，因为骨折承受纵向能力很强。棒状的物体，最易横向折断。我们身体的支撑框架，都是让骨骼纵向受力。就如同楼房，上下方向没有问题，但是横向相对脆弱。同样树木生长也是这样，刮大风，树木被刮倒，经常是半腰折断，或者连根拔起。除非树木中心的木质全部腐朽，无法承重，导致树木自然死亡。树木的长高过程中，直径的增长速度大于高度的增长速度。不需要做材料力学分析，仅仅是纵向承受能力大于横向承受能力。当树越高时，树冠越大，横向的风力就越大，加上树木上部分的重量，腰围就要更粗才能抗得住。并且大风在树冠上的作用力，对树木而言就是一根杠杆，离树冠越远，受横向力越大，因此树木是树根最粗，越靠近树冠越细。世界上年龄最大的树，西非一颗8000岁的龙血树，死于一场风暴。美国太平洋杉树可长百米以上，地面上树径可以开辟铁道，容纳火车通过。

  6.动物采用的策略。现在所有的动物，无论大小，其体型都可类比为圆柱形，至多是圆柱的直径和长度比例有区别而已。我们的四肢，躯干，虽然不完全是圆柱形，但也相差不远。这样的体型，在体长增加后，加在骨骼上的横向重量增加比例和骨骼的承受能力是同步增加。理论上骨骼效能完全不变。但动物毕竟不是烟囱，体型是介于圆柱和立方体之间，更像圆柱。这样就降低了骨骼受损的风险。

  恒温动物都要进行代谢，产生热量维持体温，提供能量来行动，或逃跑或追逐。那么动物要吃多少东西才能满足基本要求：保持体温呢？假设体型不变，体长增加，胃部容量和体积同步增加。那么胃部摄入食物量和体重同比例增加，而散热是皮肤面积，增加速度比食物摄入量小。因此体型大的动物可以摄入相对少的食物维持体温（不用吃饱）或者胃容量减小。体型增加后，体重增加，运动能力可以换算成能量关系，即维持同等速度情况下，能量消耗和体重同比例增加。假设动物有2个胃，一个维持体温，一个维持运动能力。那么维持体温的胃就可以不用吃饱，而维持运动能力的胃就要吃饱。整体下来，体型增加后，食物量比体重增加的要少些。少多少呢？要看动物的运动情况。大量的巨型动物，比如大象、犀牛、长颈鹿，对运动能力要求不高。因为基本不受到攻击。所以这些动物主要是维持热量，那么吃草量增加不需要太高就足以维持生命了。而像狮子老虎这些动物，维持运动能力非常重要，因此食量和体型增加快同步了。当然多数时间它们也休息。

  小动物的悲惨命运。当体型减小，散热带来大问题，小动物的食物量补充必须满足热平衡。不然就是死亡。相比大动物，食量不足，就必须质量补充。小动物吃的食物热值都很高。小鸟食谱：昆虫（蛋白含量50%以上、基本没什么浪费的成份），种子（淀粉含量高，某些种子油脂含量高，热值更大），以前说麻雀是四害之一，吃谷物。但麻雀除非专门喂食谷物，依靠自然条件下获取的谷物会饿死。昆虫才是麻雀的主食。蜂鸟，更小的鸟，吃花粉花蜜（蜂蜜的原材料，热值应该更高，不然蜂鸟就饿死）。鸵鸟个头大得多，吃植物就可以了，偶尔补充点昆虫，植物？热值很低，唯一的好处就是不会乱跑。哺乳动物的幼体都必须喂奶，奶的营养价值很高，但热量不足，所以一会就要吃，每天开饭的次数比成年体高的多。现代人类的哺乳能力下降，替代品很多，只是要小心三聚氰胺。另外免疫能力也是值得注意的问题。松鼠，寒温带都可以生活，冬天存储大量松子。松子里面含大量油脂，热值是面包的四倍以上。饲料小动物要注意，忘了喂食很容易饿死。但老虎一周吃一次，一次管一周。

  思考：生存的代价

  1.巨型草食动物：运动能力弱，力量足，没有天敌，植物为食。但植物普遍热量低，营养差。好处就是随处可吃，不必埋伏追逐。为了维持生命，大象一天16小时在进食。因为食物相对充裕，生存环境相对好，其食物利用率仅40%。生活在北极苔原的猛犸，气温太低，食量更大，整天都在寻找食物，每天进食时间超过20小时。最后幸存在弗兰格尔岛上，因食物匮乏而侏儒化，但侏儒化不利于保温。最后在冻死与饿死之间做选择！现在生活中同一区域的麝牛、驯鹿不得不在食物丰富季节积攒大量脂肪来防荒，棕熊北极熊攒脂肪则是食用大马哈鱼及鱼子、花蜜等热值高的食物。大中型食草动物：运动能力强，天敌多，采食时的防备猎手攻击，所以食物利用率必须高。我们用羊肠小道来形容道路曲折漫长。羊生活的环境不如大象优裕，食物不能浪费，漫长的肠道对营养细细进行吸收。牛、骆驼等动物采用反刍来强化分解，增强吸收。马、袋鼠、兔利用肠道细菌帮忙分解植物，榨尽植物最后一点价值。冷兵器时代，骑兵是快速机动部队，马就不能仅仅吃草，需要豆类、大麦等高质量食物做补充。

  2.大型肉食动物，运动能力强，食物都是肉类，易于消化分解，所以肠道较短。根据肠道的长度，就可以区分出食谱究竟是草食、杂食或肉食。但是获取食物必须进行运动战、埋伏战或化学战。运动战，要求速度快，力量足够，敏捷或韧性。猎豹，速度快，力量敏捷都足够，就这样捕食成功率10%。鬣狗，群体作战，还可以打劫猎豹，成功率高很多。狼，群体作战，韧性很强，战术灵活多变，环境恶劣的地区也能生存。狮子，也是群体捕猎，可以有效防止被打劫。埋伏战，要有足够的耐心，争取做到一击必杀。蟒蛇的埋伏，吃一次要管一年的生活。鳄鱼，一年才能遇到一次动物迁徙饕餮大餐。化学战，无论是科莫多龙的毒液、蝰蛇的毒液或蜘蛛的毒液，都为降低本身的风险。（非洲猎人烘烤有毒树皮，取汁液涂满足箭头上。南美猎人烘烤有毒青蛙皮肤，将分泌物涂满在箭头，以提高效率。箭毒木，箭毒蛙，名称就是这么来的。）多数情况下，猎物不反击，失败带不来伤害，只是饥饿。但猎手之间存在竞争，猎手的威胁来自同类划分地盘的竞争、配偶的抢夺，其他类型猎手的攻击。肉食动物整体数量远少于草食动物，疾病的威胁也非常大。在竞争中，群体捕猎团队逐渐取得优势，通讯方式、战术组合、目标选择、指挥等因素使得智商提高非常快。当占据猎手阵营顶端时，威胁就来自内部。非洲黑猩猩可以设计战术陷阱，有组织地消灭敌对群落。虽然是猎手角色，但没有高枕无忧的存在。

  3.小动物的食物热值高，消耗大。因为散热快，身体的供给也要快。造成小动物代谢速度快，心跳快，呼吸也快，寿命短。并且小动物多数情况都是猎物，为了可以生存下去，小动物的繁殖早，生殖数量多，不求活得长，但求生的多。以量取胜，比如啮齿动物。

  4.哺乳动物的一生心跳次数基本为常数。心跳慢的寿命长，心跳快的寿命短。寿命和母体的怀孕时间成比例，怀孕期越长，寿命越长。大象孕期1年半。人类的孕期近2年。但是由于头部发育太快，10个月不生产就生产不出来了。出生后1年，才能开始走路。自然出生的幼体，除了一些早熟体，都是出生后就可以行动。由此可见人类的寿命很长。（龟不是胎生。象龟个头大，寿命长，长期不进食也可以生存。早期航海缺乏新鲜肉，象龟就是天然的鲜肉罐头。所以快绝种了）巨型草食动物的平均寿命也都比较长。寿命长的风险是性成熟晚，幼年和少年时期太长。而幼年和少年时期总是危险的，各种猎手目标都可以对准这些没有反抗能力，但报酬却很丰富的猎物。另外孕期长，生育周期长，出生率就低。总之，没有医疗和武装，寿命长的物种也不具有优势。

  人们进行各种运动竞赛，比较不同的运动能力。比如力量、速度、耐力、技巧、灵活等等。对哺乳动物肌肉研究发现，单位面积的肌肉力量相同（肌细胞直径1毫米，长数厘米，内部有肌原纤维，直径1微米，以2.5微米为一节，内部是肌球蛋白和肌动蛋白微丝交错，肌肉收缩时是肌动蛋白滑动，引起肌原纤维节缩短造成。那么力量就是肌动蛋白滑动力的总和，因此肌肉的橫截面大小就意味着肌原纤维的数量多寡，就决定着力量的大小。肌动蛋白滑动需要消耗atp，大约60%的能量转为做功，效率很高。），那么力量大小决定于肌肉横截面。肌肉做功的长度取决肌肉收缩的长度，和肌肉长度本身成比例。举重比赛，体重越大，举起的重量也越大。身材越大，优势越大。

  在速度比赛中，力量大并不意味着速度快，前面分析指出，身材越大，力量和体重比值反而减小。那是否意味着速度快需要身材小？身材小，意味着腿短，可能跑两步才相对于腿长选手跑一步。因此速度最快的选手身材不是最大，也不是最小，而是中间某个值。100米短跑完全是极限速度的比赛，肌肉的瞬时功率越高越好。世界纪录保持者是牙买加选手博尔特，身高达1.96米，创纪录时体重86公斤。按照他的身高，体重偏轻，体型是瘦长型，风阻力相应小些。牙买加还有著名的女子短跑选手奥蒂，看来牙买加黑人的快肌比例高。类似比赛：跳远，跳高，都是在力量、体重、身高之间进行平衡。

  耐力比赛最著名的就是马拉松比赛，这个明显是体重越轻越好，当然极限减肥人员不在此列。经常跑的人存储的肌酸磷酸多，供给充分。世界纪录基本都是非洲选手囊括。把他们的比赛服装去掉，手里塞一根标枪，马上就是史前猎人形象。

  技巧和灵活，明显是身材小的优势大。敏捷是这类型运动的要求。无论是体操还是跳水，选手都相对身材矮小。投掷类的比赛，力量和技巧都重要，因此这些选手也是身材适中（链球不算，基本是力量比赛）。

  真正考验人的各项平衡能力的比赛是十项全能。力量、速度、技巧、耐力全部都要很高，但不能达到最高，否则严重影响其他属性。这些选手的身材基本一致，身材高挑、没有脂肪、肌肉类型比例适中。

  至于铁人三项，纯粹是耐力和意志力的竞技。和马拉松不同，游泳要求有一定的脂肪，不然体温下降太快。

  思考：

  1.长期在平原生活的人，爬山非常吃力。长期在山区或丘陵生活的人，则如履平地。观察普遍身材的差异，另外因肌肉受的锻炼不同，肌肉类型有差异。

  2.长期不锻炼的人，稍稍用力，就累了，浑身发酸。原因体内的供给不足，肌肉内没有什么能量储备，所以累了，而供氧不足，导致体内分解养料进行能量补充时是无氧呼吸。产生大量乳酸，身体酸痛无比，无法继续。

  3.肌肉运动，做功=肌肉力量*肌肉收缩距离。在身体能量供应方面，60%转为肌肉做功，40%发热。因此运动时间长了体温增高，需要出汗来降温。猎豹是陆地短跑冠军，由于功率太大，体温迅速升高。猎豹捕猎中，快速奔跑超过4分钟就丧命。实际奔跑时间就一分钟左右，捕猎成功后还要留有体力应付意外。耐力型猎手狼可以持续奔跑二十公里，在团队合作捕猎大型猎物时，主要是驱赶，从中分离出耐力较差或身体有疾病的个体，事实上大型动物静态防御更加有效。由于狼体型相对猎物小，耐力更好。所以驱赶式捕猎是较好的选择。狮子，鬣狗也采用同样策略。

  4.各项运动对身体体型要求不同，不同人种因自身特点，形成了各自的优势项目。爆发力，耐力，黑色人种优势明显。在短跑和马拉松上独领风骚。混合要求的中长跑则是各色人种都有。灵巧和技术要求体型小，各种热带和温带人种都有。次轻量级拳击冠军是菲律宾人，占据小球项目和体操优势则是人种混杂的斯拉夫人以及黄种人，主要因素是传统。游泳比较特别，水的浮力使得身体重量不必考虑，力量和技巧以及身高要求使得白种人优势明显。团体运动则是文化特征很明显，但像篮球这种身高、爆发力、技巧要求，黑人优势明显。

  5.身体做功时，需要大量氧气。在氧气供应充足情况下，体内的能源转换能量的效率达到最高。所以大功率运动下，氧气的要求迫使呼吸加快。100米短跑，时间太短，以至于职业选手不需要呼吸，依赖肌肉内部储能。跑步时存在呼吸节奏的要求。通常情况下呼吸氧气的交换率很低。跑步时提高氧气的利用率，就要深呼吸，保持身体的氧气供应，呼吸节奏就要和跑步的节奏相配合。比如两步一吸，三步一呼等等。缺乏训练的人在骤然猛跑，呼吸不能保持深度，氧气利用率低，不得不加快呼吸节奏，很快就喘不过气来。

  百米竞赛中，运动员起跑时间和发令枪枪响时间差距在0.1秒以内，算作抢跑，取消竞赛资格。我们来计算一下运动员的极限反应时间。人的神经通过钠离子和钾离子通道调节细胞内外浓度，改变电位，来实现信号传递。速度大约30米/秒-120米/秒，多数人的传递速度位于下限附近。以博尔特为例，发令枪离他的头部越5米距离，声速按340米/秒计算，传到他的耳朵约16毫秒。不同跑道的运动员距离不同，从1米到10米，那么带来的时间差为30毫秒。声音在耳膜上产生振动，导致电信号产生，传输到大脑，大脑经过处理，对腿部发出信号，腿部肌肉收到信号，释放钙离子，触发肌肉收缩，开始起跑。听觉神经细胞的电压改变大约需1毫秒时间，从耳部传到大脑中央沟后方的听觉野，距离大约10cm左右，耗时1-3毫秒。神经信号从大脑传递（运动区、脊髓、腿）到腿部，最后到脚前掌，距离约1.8米，耗时15-60毫秒。不同人的耗时差别体现在大脑的处理部分。天赋或训练程度的差别，这部分的处理时间最短情况是：条件反射，信号直接脊髓传递，不经过大脑。来自听觉野的信号进入大脑，再触发动作命令，这部分时间不好确定。而钙离子浓度的改变大约几毫秒时间。那么固定消耗时间的变动范围就是，大约是毫秒。对于多数人而言，固定的信号传递时间80毫秒是可以接受的。那么，如何估计大脑处理时间呢？

  在电子竞技领域内，星际争霸曾经是风靡一时的游戏。顶级职业选手的操作可以在300apm以上，也就是一秒内手要操作5次以上。屏幕画面进入眼睛，传递到视觉野，距离大约20cm，大脑信号进入脊髓，传递到手上，距离大约是人身高的一半（正常人双手平举，长度基本等于身高），考虑到脖子长度、选手的身高，全部距离按照0.2 0.2 0.8=1.2米计算。则固定消耗时间，约为毫秒，按40毫秒计算。一次手操作时间为200毫秒，手指按键或点击鼠标消耗时间大约60毫秒（手指的按下和复位一般消耗120毫秒，极限70毫秒），手指移动或鼠标移动，消耗时间不少于点击时间，则大脑处理时间至多为40毫秒。在游戏中，选手对局势的战略战术判断、定位敌方单位，都是相当消耗时间的。而赛跑中，对专业选手而言大脑仅仅起到一个信号中继的作用，其消耗时间可按几毫秒来估计。那么选手的神经反应时间大约就是90毫秒，考虑身体从静止到体现出状态变化消耗时间，100毫秒以内的抢跑判断标准相对合理。

  思考：

  1.在电子竞技中，第一人称射击类游戏（fps）也很考验人的反应速度。按照上述分析，人的神经传递时间是40毫秒左右，点击鼠标约60毫秒。目标出现在鼠标图标中到点击命中目标，时间约0.1秒以上，和视觉暂留长度差不多。当然某些人的天赋异禀，传递信息仅需要20毫秒，其对手就需要战术弥补。当目标出现在视野中，需要滑动鼠标去射击，则时间更长。

  2.大型恐龙，比如梁龙，在臀部都有一个辅助的神经处理系统。神经传递方式在动物中相似，可以认为速度也接近。考虑到近30米的长度，神经传递时间接近1秒。因此辅助系统很有必要。

  3.动物的敏捷和体型相关，神经的传递距离远近也轻微地参与影响。动物的局部速度远超神经反应时间时，躲避这个词就不存在了。比如鮟鱇和黑曼巴蛇。

  正常情况下，身体要消耗一定的能量维持体温和其他器官的基本运作，这部分能量消耗成为基础代谢率。在平均状态下，运动带来一定的消耗，整个能量消耗就是全部代谢率。热带人体型小，体重低，并且环境温度高，整体消耗很小，即代谢率很低。在摄入食物后，大量食物都可以转为身体的组织，促进身体的发育。温度及寒带人体型大，体重高，环境温度低，代谢率很高。大量食物都转为热量。需要摄入更多的食物来促进身体发育。由于热带人体型不大，身体发育很容易达到目标，因此热带人的性成熟较早。同样，热带妇女绝育也早，比如拿破仑的皇后。现代营养普遍改善，因此现代青少年的发育也较以前早。同时食谱也是重要因素，肉食含的激素量大，更容易刺激性发育。

  思考：

  1.利润的诱惑使得大家提高饲料中的各种激素。养猪场的猪3个月就出栏。自然状态下的猪寿命是20年！这样的猪还完全是幼年状态的猪，但体内的激素促进猪的身体进入少年时期。现代养鸡场，若为了促进鸡下蛋，在饲料中大量加入雌性激、素。那么鸡蛋会提前促进女孩性发育。

  2.自然状态下的动物体内激素含量不均衡，按照中医的观点就是某些肉性热，性燥。自然状态下的猪肉性平（微寒），本身是好东西。

  3.现代污染严重，水里面的重金属成份会通过植物、浮游生物代谢而聚集起来。小鱼虾、甲壳类动物因摄入这些聚集了金属的生物而大幅度提高体内的重金属浓度。大型鱼类采食这些小动物，最终浓度达到非常高的程度。人类如果食用这些污染水域的鱼，很容易因重金属而产生各种疾病。

  4.二恶英，分子结构和雄性激素比较接近，进入人体后会可能会参与到激素作用中，越战中落叶剂大批量使用，导致大量胎儿畸形。

  某一定体积的物体，切割成两部分。则整体体积不变，而全部表面积增加了两倍的切面面积。反复进行切割，则面积持续增加。我们身体的肺部进行氧气交换，肺部容量因人而异，成年人基本保持2-6升之间。也就是说我们一次吸气，可以得到2-6升空气，进行氧气交换时，是空气与肺泡表面进行，也就是说肺泡面积越大，我们能交换到的氧气越多。而所有肺泡的体积总和是2-6升，那么如何才能增加交换面积呢？只有一个办法，让肺泡的体积非常小。我们的肺泡数量大约是3亿多个，直径约0.2毫米左右。肺泡的总体表面积大约是40-100平方米。因此增强心肺功能，可有效抵抗氧气含量减少引起的高原反应。

  思考：

  1.汽车尾气是一大污染源，不过现在汽车都增加了汽车尾气的净化装置，主要是金属铂来分解那些氮氧化合物。金属铂价格昂贵，如何才能有效利用呢？在汽车尾气通道中，一块直径约15厘米的长条陶瓷上开有大量细长的空隙，空隙上布满直径约1-10纳米的耐高温耐腐蚀氧化物小球，在小球上放置金属铂颗粒。经过这些步骤，铂的表面积极其庞大，完全可以净化尾气至环保标准。

  2.人呼吸时，大量空气灰尘进入鼻孔，为了防止这些灰尘进入肺中，鼻孔中生长着许多鼻毛。可以有效吸附灰尘，在城市生活的人们都可以验证这点。鼻毛不可拔掉，每拔一次，新生鼻毛就变粗，降低了鼻孔通道灰尘吸附能力。

  3.壁虎可以随意爬行，其脚趾上长有近10亿微细的毛。这些毛和接触面之间的吸引力总和完全可以让壁虎随意爬行。

  4.炒菜时，肉类都被加工成肉丝、肉片，很少有方块的肉（花椒肉丁、宫保鸡丁，这些肉丁都是小方块，红烧肉是较大方块，但是烧的时间长）。这样肉总量不变，但是和热油的接触面大大增加，很容易一起熟。肉上面附着的调料也很足，味道好。

  5.原子、弹的核心是铀235或钚239，质量超过一定界限就发生核反应。引爆原子、弹就是让若干个低于临界质量的铀块，突然集中在一起，突破界限，发生链式反应。如图所示，枪式的效率低下。收聚式的效率很高，迅速让核料的表面积降到最低，最大程度地引爆核料。

  6.川菜中有道雪魔芋烧鸭，其中的雪魔芋味道鲜美。菜里面的雪魔芋形状类似海绵，中间多孔，吸附了大量汁液。类似的食材有冻豆腐、面筋、竹荪。

  7.丝瓜瓤多孔容易吸附油，洗锅刷碗干净。硅藻土同样多孔，只不过孔细微得多。可以吸附悬浮微粒、杂质、大分子有害物质。可以做水和空气的过滤材料。由于表面积大，还可以做稳定剂。诺贝尔发明的硝化、甘油炸药，就使用硅藻土做稳定剂。新型的硅藻土装修材料可发挥多孔吸附能力，降低污染。类似材料有活性炭（木炭），可以过滤空气和水，甚至做防毒面具的滤芯。

  8.我们吃饭，牙齿的研磨作用会将食物粉碎，这样食物的表面积大大增加，进入胃部后，消化液可以充分对食物进行消化，这样消化速度快，胃部的负担轻。另外快速吃饭，大脑会对胃部的饱食信号会滞后，导致摄入食物过多。因此平常细嚼慢咽，可以有效利用食物，减少多余热量摄入。

  9.考古发现，奴隶时代，奴隶大约20岁就已经把牙齿磨光了。因为食物非常粗糙，这些奴隶即便没有劳作累死，寿命也不会长。牙齿失去作用后，获取食物能量的代价增加。在进行马匹交易时，买方通常都要观察马的牙齿，可以判断健康状况。

  梅乐芝经理的科普文章（十）

  第10节波

  平静的水面，落下一颗石子，就看见一圈一圈的水面起伏，以石子落水处为圆心，慢慢向外蔓延。随着时间流逝，起伏最终消失，水面恢复平静。这种扰动（石子、雨滴等引起的水面起伏）以一定速度向远处传播（蔓延），称这种传播着的扰动为波。

  通常将波的概念限制在自然世界中。在社会变化中，也有类似的情况，称呼的概念换成浪潮，趋势等等。比如谣言产生后，开始传播，四处都流传着，范围越来越广。这是虚假信息的传播。从流行歌曲、网络名词到时尚，都符合波动定义。文明的交流，通过商业贸易，也是波。

  回到物理世界，石子造成的扰动，是石子势能转换成水的动能。而波在传播中，抵达的水都开始扰动，意味着动能也在传播。随着波越传越远，接收动能的水越来越多。按照能量守恒，那么所有收到动能的水的动能总量不变，那么每部分水的动能越来越小。最后动能全部转为热量，水面恢复平静。换而言之，波传播过程同时也是能量传播过程。

  对于物质运动状态变化类型的扰动传播，我们称为机械波。如果是人的思维模式变化类型的传播，可称为心灵风暴波。如果是人有组织行为类型的传播，可称为社会运动波。机械波的出现，意味着：1.扰动源存在，也就是有能量供应源。2.存在接收扰动的对象，称为介质。这两种存在，对其他类型的波也是适用的。对于石子形成的波，扰动源就是石子，介质是水。宗教的传播，扰动源就是教义，介质是人。

  观察：

  1.艺术体操运动中，运动员舞动着长带，长带在空中上下卷动，却不落地，正是波的传播，使得带子始终处于状态剧烈变化中，而无法落地。

  2.世界各地经常出现地震。报道中会给出震中位置，地震强度级别。震中就是扰动源的位置，级别就是地震能量的强度。地震波在传播中，能量随之而来，改变建筑物品的状态。如果能量太大，建筑等承受不住而损坏。损坏程度称为烈度。随着传播距离的增加，总能量逐渐损耗，加之能量分担对象越来越多，危害逐渐减小。

  3.宗教的传播过程中，改变的是人的观点、立场、思考方式等。和机械波不同的是不存在能量的衰减问题。事实上，随着宗教的传播，信徒越来越多，宗教的势力不断增加。

  4.在水面不同位置，投放两个或多个石子，发现各自都形成波，相互之间影响可叠加或抵消，但都在传播。不同的宗教或文化，在传播中无法像机械波一样相互叠加或抵消，因为正常人无法同时以相左的立场、观点来思考世界。更多的时候是相互争夺信众，就如同销售市场的争夺一样。当然作为趋利避害的生物本能，采用老张的哲学也是有可能的。

  5.人是社会性动物，从众心理是本能的自我保护意识。所以使得谣言、恐慌性心理容易扩散，三人成虎正是这个意思。

  波传播中，扰动使得传播路径上的物体状态改变，但这种改变不是永久性的。当能量耗散后，物体恢复原始位置。那么物体状态的变动就是在原始位置附近振动。振动导致物体处于某个范围，当范围和传播路径重合时，说明物体的振动是沿着传播方向进行来回进行的，这种类型称为纵波。如果振动的方向和传播方向垂直，则称为横波。通常的波经常是部分纵波和部分横波的混合。

  观察水面上的落叶，当有波传播经过时，落叶在水面上下起伏，并不移动，说明在水面的波是横波。地震来临时，如果感到人左右摇晃，说明地震波是纵波，如果是上下起伏，说明是横波。

  波传播途中，能量使得路径中的物体改变状态，物体有惯性，改变状态不可能是瞬间就完成，因此扰动的传播是有速度的。比如水波，我们观察水纹的最高点，称为波峰（对应水纹低于水面的最低点称为波谷）。在波传播中，扰动不断地制作出波峰，新的波峰相比以前的虽然高度慢慢下降，但始终是附近小区域最高的位置。最新的波峰和原始位置之间的距离不断加大，波的传播速度就定义为这个距离除以时间。相邻的两个波峰之间的距离，就定义为波长。一定时间内，水面上落叶起伏的次数，称为频率，单位是以德国人赫兹命名，英文hz表示。落叶每起伏一次，意味着波向前传播了一个波长的距离。那么可得出：速度=波长*频率。

  在水面波传播时，如果水面有障碍存在，比如巨大的石块，则波抵达石块后反身往回传播，这个称为波的反射。如果石块较小，发现石块背后也产生波纹，称之为波的衍射，或称为绕射。这里提到石头尺寸的大和小，标准是按照什么定？在描述波的属性中，只有波长是长度的单位。因此大和小的标准就是波长。比波长大很多的就是巨大，比波长小的就是小。

  思考：

  1.波的传播速度由什么决定呢？扰动在改变传播路径上物体状态时，如果状态改变快，则波传播的快。惯性大小是物体维持原状态能力的量度，因此惯性越大则状态改变越慢。在讨论连续物体时，我们使用单位体积内的物质惯性来衡量，那么这就是密度。因此波传播路径上物质的密度越大，波速越小。不同的物质弹性不同，弹性越大，物体维持完整性的能力越大，则物体受相邻部位的形变影响越大。比如泥土，基本没有弹性，某处受力后泥沙飞溅，其他部分的泥土没有动静。比如铁棒，弹性很强，某处受力后，铁棒整体翻滚。因此弹性系数越大，波速越大。

  2.波的频率是由什么决定的？波的起源是扰动源，介质目的是传递扰动，可以对传播速度、能量传递效率起作用。所以影响频率的因素只能是扰动源。扰动源的扰动频率决定了波的频率。

  3.不同物质的密度弹性不同，波速不同。在波传播路径上存在不同物质分布，我们可以在不同位置测量波到达的时间，来反向推理不同物质的分布情况。在地质勘查中，通常是人工制造一场地震，使用大量炸药引爆来产生。在选好的不同位置上来接收地震波。人工地震产生后，波四处传播，一部分波直接抵达测量点，另外一部分向地球内部传播，碰到不同类型的岩石后又重新、四处传播。测量这些从地球内部传播出来的波，依据测量点地震波的抵达时间以及强度，可以推理出内部的岩石成份和构造。石油天然气勘查就是使用这种原理进行。

  4.当已知扰动源位置、强度后，在不同位置测量地震波，可以有效推理出地球构造。克罗地亚的莫霍洛维奇于1909年采用地震波探测到地壳和地幔之间的界面。1914年德国的古登堡发现地幔和地核之间的分界面。当地球内部构成比较清晰后，不同位置的测量点测量到地震波抵达，就可以推理出扰动源的位置和扰动强度。冷战时期，原子武器研发竞争很激烈，采用这样的方法，即便不派遣间谍，也可以获知核爆炸的位置和威力。

  5.深海中没有光线，视力无效。鲸鱼就通过制造机械波来通信。即便在浅海，光线传播距离很有限，海豚等哺乳类动物采用机械波来通信。在河流中，江豚类也同样如此。现代大量船舶行驶，螺旋桨制造很大的机械波干扰，导致这些动物通信失败或错误。

  6.正常情况下，波传播中，物质不改变自身位置。如果能量非常大，则位置甚至物质本身都会发生改变。这时波不仅是扰动传播，而且是破坏性传播。人类利用这点制造了武器。大自然的武器就是大地震，地震波中的纵波作用时，人和房屋左右抖动，房屋通常是上下结构承受力强，而侧向承受力弱。这种情况下房屋很容易倒塌。当地震波抵达时，如果烟囱的高度刚好是地震纵**长的一半，则很容易半腰折断，为什么？

  7.登山时，遇到很宽广的山峰侧壁，可以大吼听回音（雪山严禁，可能引起雪崩。汉尼拔远征，在阿尔卑斯山损失大量步兵和战象）。建筑的墙壁和回廊也有类似效果。在特定的建筑里，可以听到远处人的说话，俗称回音壁（中国古代寺庙大量存在。奥匈帝国女王特雷西亚的宫殿里，存在这样的窃听结构）。足球比赛时，节目录制组也有类似的接收远处声音的装置，很像卫星天线的锅盖。

  空气密度很低，分子稀疏，间距很大。但也可以传播机械波。通常我们称空气中的机械波为声波，以我们的机械波接收器耳朵为基准。但固体、液体中的也都可以称为声波。可以通过一些设备，接收液体和固体中的机械波，并转入空气中，让我们的接收器可以工作。

  波传播路径中，物体的振动逐渐减弱。减弱有两种方式：1.自然减弱，比如水表面波的传播，随着距离增加，波的起伏变低。因为能量越来越分散。2.损耗，在传播中，很多物质弹性较差，传递扰动的能力很低，能量多数都转换为热量。

  多个扰动源产生的波，在传播途中相遇，则每个波都发挥各自的扰动能力。如果扰动刚好同方向，则扰动总和累加，导致此处物体振动大幅度增加。如果扰动刚好反方向，则扰动总和抵消，此处物体振动幅度减小。这种现象称为波的干涉。

  思考：

  1.二次世界大战中，大西洋中的潜水艇作用巨大。水面舰船探测潜水艇就需要使用声纳。声纳就是大喇叭，在水里面发射声音。声波碰到潜水艇就反射回去，接收装置检测回波，判断是否存在大型移动对象。潜水艇通常是被动接受声音，一般是发动机噪声或螺旋桨噪声，根据声音的特征来判断是否为攻击目标。上世纪八十年代初发生东芝事件，就是潜水艇螺旋桨噪声引发的。

  2.石子丢入水中，表面形成波是和在水中传播的声波不同，扰动源发起后，水被排开，由于水不可压缩，所以水被挤的高出水面，形成波峰。对于某个水柱，当水柱升高时，水柱变窄，水柱下降时，水柱变宽。当水表面浪的高度上升时，势能增加，则下降后的动能也增加，对前进方向水的冲击力增加，也就意味着表面波的速度增加。也就是说表面波的速度由水波纹的高度决定。当水的深度远大于波长时，水面升高变成波峰，体积增加，所增加的水是由波谷部分补充过来的。此时水不仅是上下运动，还存在传播方向上的前后运动。此时水面某点的整体运动就在传播方向上做圆周运动。当此点在圆周的顶点时，水面处于波峰状态，当此点在圆周底点时，水面处于波谷状态。此时波速取决于波长或圆周运动的速度，波长越长，圆周运动越慢，波速越快。当水较深时，表面波对深水完全没有影响。在水下拍摄的记录影视中可以看到，海面巨浪滔天，水下波澜不惊。

  3.而声音在空气或水中传播时，都是纵波，没有横波。横波仅在固体中存在，固体的结构紧密，横向的振动因材料的连续性得以持续。纵波在流体中传播时，流体的压强在某个值附近变动，相当于这些流体在压缩和膨胀状态之间来回变动。这种状态只能在压缩或膨胀的方向上延续，所以流体中横波无法存在。同样频率的声波，在空气、水、固体中速度不同，因为这些物质压缩弹性不同。同时因流体的特点，压强、温度不同，波速也不同。当中流体中声明波速时，都必须说明对应的压强和温度。海平面0c时，空气音速是331m/s。水中的音速大约是空气中的4.3倍。钢铁中的音速大约是空气中的15倍。

  4.现代城市的污染很多，房屋修建和装修时就要考虑噪声污染的消除。1.吸收：噪声源在室内，无法直接消除噪声源时，室内墙壁的涂料就可以选用声波转换热量效率高的材料，起到吸音效果，这样噪声中室内很快就衰减下去。如果是音乐厅，需要回音效果时，部分墙壁的涂料就要必须是声音反射率高，不能吸收声音。2.隔离：噪声源在室外时，采用双层玻璃窗户，声音经过透过双层玻璃的能量很少，隔音效果好。当然一层玻璃效果也很明显，只要窗户的密闭性好。3.降低源强度：直接对噪声源进行处理，降低噪声源（扰动源）的能量强度，降低其功率，典型的应用就是摩托车消音排气管、消声武器。发动机的高压热气直接进入大气，在气管的出口，能量瞬间释放，功率很大，造成很大的噪声。摩托车消音管是较原发动机排气管粗的气管，发动机高压热气进入后，空间突然变大，此刻产生的声音约束在消音管内，被消音管内其他结构吸收降低。进入消音管的高压热气此时压力降低，温度降低，离开消音管进入大气时，能量已经比较低，产生的噪声就小多了。手枪可以加装消音、器，消音原理类似，就是让枪膛高压气体相对缓慢的速度膨胀，降低枪声。由于子弹的速度非常快，实际消音、器并不能完全消除声音，除非是非常小口径的子弹。其最大作用是降低开枪者的耳朵负担，在消除枪口火焰方面也非常有效。（按照能量的角度描述，就是体积突然膨胀，导致势能增加，能量守恒，所以动能降低=分子运动速度降低=温度降低。这种方法同时也是制造超低温的方法。让低温气体突然膨胀，导致温度进一步降低，反复进行这一过程。）

  5.二次世界大战末期，德国潜水艇有了新的装备，使得这些潜水艇从没有被盟军探测到。这种装备是橡胶板，装配在潜水艇外壳上，板上有按照特定间隔排列的小孔阵列。声音（声纳发射产生）抵达潜水艇表面后，这些阵列使得反射声音相互之间抵消，极大地降低了反射声音，使得探测器无法得到回音，避免被发现。室内装修材料板，也可以采用这种方式降低声音在室内的来回反射，消除噪声。观察电影院的墙壁，是否存在这样布满小孔的板材？

  6.以上介绍的是声音消除的被动方法。声音还可以主动抵消。使用麦克风接收声音，转换为电信号，对其进行处理，再转换为声音，此时的声音和原始声音刚刚好完全错位，振动相互基本抵消。这样就实现主动对消。应用于婴儿看护。在婴儿头部放置一副很大的耳机，离婴儿耳朵有一定距离，里面放出处理后的声音，和外界噪声对消。

  7.当多个扰动源存在时，如果扰动源的频率相同，则产生的波频率相同，这些波在干涉时，很可能在某处出现多数波累加的情况，造成某点扰动能量非常大。军队过桥时，如果按照口令有节奏地齐步行走，很容易产生累加效果，当累加点位于桥的薄弱点时，可能会对桥产生破坏。所以过桥时都要便步走，令各个扰动源的频率不同。

  8.人耳可以听到各种声音，但无法听到全部声音。（20-20k）hz是人耳可以听到的频率范围。低于20hz的声音，称为次声波。高于20khz的称为超声波。那些使用主动声纳的生物，比如海豚和蝙蝠，其耳朵可以听到100khz的声音。另外人的耳膜和外耳道是垂直的，这也说明声音是纵波。假设是横波的话，无法耳膜产生振动！

  9.超过20khz的声音，对人耳无影响。效果对人而言就是安静。因此广泛使用。眼镜店里面有洗眼镜的机器，将眼镜置于水中，使用超声波清洗。这种高频率的液体震荡，可有效清理表面附着的各种杂物。牙齿清洁，也可使用超声波。体外碎石（胆结石），同样使用超声波。但最普及的则是b超，超声波进入人体，因不同组织的弹性不同，反射回的超声波在不同位置压强不同，反向演算后就可以得到人体弹性分布图，就是人体内部器官分布情况。超声的波长短，机械波衰减是以波长为单位比例进行衰减的，所以衰减快。扩散也是按照波长的比例进行，所以方向性好，容易形成声音束。蝙蝠和海豚，都使用超声波作为雷达探测信号，定位准确。大功率的超声波还是武器，可以击晕猎物。

  10.低于20hz的声音，波长很长，衰减很慢，很容易衍射，所以没有什么可以阻挡次声波。次声波的振动对人体内脏有强烈的破坏作用，因此可制造次声波武器，但难以控制方向。

  11.人的发音依靠声带。发出的波长和声带的长度相关。人的发音是多种频率声音的混合，其中含量最高的可以称为基音。其他频率的含量比例不同，听起来的效果不同。男子声带长，所以基音波长较长，频率低，女子声带短，基音频率高。我们说某人唱歌音色好，就是声音中不同频率含量的比例适合我们欣赏的口味。说某人音域宽广，就是声带经过控制，可以发出不同基音的声音，而且基音的频率相差较大。唱歌时，声音可以在腹腔、胸腔、口腔、颅腔进行回音，增加声音的延续和音量，改善音色。技巧的好坏，或者是天赋的好坏，就体现在实现回音的难易程度上。唱歌就像说话一样轻松，天赋好。需要提气叉腰，天赋差。现代歌曲伴奏多，去掉这些伴奏，听歌手清唱，就知道唱的真正效果。

  12.脊椎动物感受声音的器官和人类似，并且有外耳廓对声音进行收集，增强听觉效果。耳廓的因生存环境的变化而变化，可能变大（蝙蝠）、变小（北极熊）甚至消失（鲸鱼）。昆虫身体的膜也起收集空气振动的效果，用来感知异性、猎物或捕猎者。被动接收声波的动物，都是为了确定振动源。当振动源位于特定环境时，触角、身体的毛发，都可以精确定位振动来源，这些都可认为是耳朵。比如蜘蛛网上的振动源通常就是猎物，蜘蛛使用腿部即可感受。通常人是视觉、听觉、嗅觉共同使用一样，动物的耳朵也仅是探知外界工具的一部分。不同动物的探测侧重点不同。