各式運(yùn)動明星大盤點(diǎn)

在動物進(jìn)化譜系樹上，我們都能體察到結(jié)構(gòu)和功能同物理規(guī)律的關(guān)系。在運(yùn)動中，動物首先要同地心引力抗?fàn)?，還要適應(yīng)流體、空氣、空間環(huán)境+不斷調(diào)整自身，淘汰不適應(yīng)的結(jié)構(gòu)。所以，動物的外形和結(jié)構(gòu)能最大限度地適應(yīng)力學(xué)定理，讓運(yùn)動能力發(fā)揮到極致。會爬、善泳、能飛、擅跳……可以說，在動物世界中，它們個(gè)個(gè)都是運(yùn)動健將。

漂浮能手：草履蟲

動物是生物圈的消費(fèi)者，為了取得食物，它們必需接受自然界物理規(guī)律的支配，借助力學(xué)原理運(yùn)動。如動物界中最原始、最低等的原生動物草履蟲，它生活在水面，其主要運(yùn)動是漂浮。草履蟲的單細(xì)胞結(jié)構(gòu)和細(xì)胞內(nèi)容物由皮膜包裹，內(nèi)有大量的伸縮泡和氣泡。皮膜能隔水，其體重又特輕，這是其能在水中漂浮的先天條件。在水中前行還必須克服水的阻力，草履蟲的圓錐形頭部是最適合的結(jié)構(gòu)，似乎天生就是為此而生。

草履蟲的細(xì)胞器由細(xì)胞膜演化生成，細(xì)胞膜是同環(huán)境接觸的前沿陣地，受物理規(guī)律的影響也最大。可以說，草履蟲的感應(yīng)、營養(yǎng)、排泄等生理活動都與運(yùn)動力學(xué)息息相關(guān)。沒有神經(jīng)的原生動物，其感應(yīng)性與化學(xué)分子的運(yùn)動趨向一致，哪里的環(huán)境適合它，它就會游向哪里。口溝取食全由流體力學(xué)支配，食物泡的形成靠的是蛋白質(zhì)膜收縮，排泄過程也完全符合流體力學(xué)。草履蟲的皮膜上長滿纖毛，每根纖毛的動作如單臂劃水，纖毛互相配合使水沿體表向后移動，前進(jìn)的方向與纖毛呈直角正交，較好地減少了阻力。鞭毛和纖毛是原生動物特有的運(yùn)動器官，它可使動物在液體介質(zhì)中靈活行動，速度較變形運(yùn)動快得多。而這給了科學(xué)家靈感，科學(xué)家由此產(chǎn)生聯(lián)想，利用細(xì)菌和原生動物的鞭毛研制納米發(fā)動機(jī)。

雙跳冠軍：袋鼠

澳洲是有袋類動物的故鄉(xiāng)，其中，袋鼠是澳洲的國寶。而袋鼠家族中的紅袋鼠則是體型最大、也是最美麗的一種。它們善于跳躍，一躍就是7～8米遠(yuǎn)，4米高。如果讓它們?nèi)⒓訆W運(yùn)會，“雙跳冠軍”非它們莫屬。袋鼠身體高大，攜帶幼仔后，體重就更大了，在這種情形下，它們依然能跳躍那么高、那么遠(yuǎn)，它們是如何做到的?人們仔細(xì)觀察了袋鼠的起跑動作后發(fā)現(xiàn)，袋鼠們不是站著起跑，而是先將身體彎曲，降低重心，借此增加奔跑和跳躍時(shí)向前的水平分力和沖力。它們還充分利用自身形態(tài)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，很好地發(fā)揮了強(qiáng)有力的后腿的蹬伸作用，從而迅速擺脫靜止?fàn)顟B(tài)，獲得較大的起動速度。袋鼠的后蹬力越大，地面的反作用力也就越大，獲得的初速度也就越大。

袋鼠的這種起動姿勢符合生物力學(xué)原理，肌肉在收縮前先拉長，可以提高肌肉的張力，有利于發(fā)揮肌肉的收縮能力。

現(xiàn)在的短跑運(yùn)動員在比賽中，均采用袋鼠式的蹲踞式起跑方式，先將臀肌、大腿前面的股四頭肌和小腿后面的三頭肌拉長，使這些肌肉群處于收縮前的“繃緊”狀態(tài)，在后蹬起動的一剎那，就會產(chǎn)生相當(dāng)大的爆發(fā)力。再加上蹲踞起跑時(shí)身體重心低，支撐反作用力向前的分力大，能產(chǎn)生巨大的前沖力，提高起動時(shí)的初速度，從而能提高短跑運(yùn)動的成績。工程技術(shù)人員模仿袋鼠的跳躍，研制出了一種“跳躍機(jī)”。“跳躍機(jī)”沒有輪子，靠四條腿有節(jié)奏地起落前進(jìn)。即使在坎坷不平的田野或沙漠里也能通行無阻。

飛翔健將：鳥類

鳥類的飛翔本領(lǐng)是任何動物都無法企及的。遍于全球的熱帶和亞熱帶海濱與島嶼的軍艦鳥，胸肌發(fā)達(dá)，善于飛翔，素有“飛行冠軍”之稱。捕食時(shí)的飛行時(shí)速可達(dá)400千米左右，是世界上飛行最快的鳥。

尖尾雨燕的飛行速度也不容小覷。尖尾雨燕一般飛行的速度為每小時(shí)170千米，最快時(shí)每小時(shí)可達(dá)352，5千米，比小汽車還快。而鳥類中最有耐力要數(shù)家燕，據(jù)鳥類學(xué)家研究，燕子遷徙最長的距離可達(dá)8800千米，歷時(shí)35天。在穿越大洋時(shí)，它們以每小時(shí)1 20千米的速度飛馳，幾天幾夜不休息也不吃喝，是鳥兒王國最為壯觀和殘酷的場景!

鳥的飛行結(jié)構(gòu)和方式是人類航天器仿生的對象。撲翼是最節(jié)能的，而人類的飛機(jī)翅膀至今還是蜻蜒式的。早在500年前，達(dá)·芬奇就想制造像鳥一樣飛的飛機(jī)。在以后的500年中，科學(xué)家對此的研究一直孜孜不倦，但始終都未取得成功。2006年7月，加拿大多倫多大學(xué)的德洛里耶爾研制的撲翼飛行器，成功實(shí)現(xiàn)了首飛。但飛行活動被一陣突然襲來的陣風(fēng)打斷，其在空中總共飛行了14秒，近3千米。

南京航空航天大學(xué)的科學(xué)家認(rèn)為，撲翼機(jī)的升力比普遍固定翼飛機(jī)要大2～3倍，使用經(jīng)濟(jì)性是常規(guī)飛機(jī)的1.5～2倍，是直升飛機(jī)的6～9倍。撲翼機(jī)能以較小的速度起飛和降落，可以垂直起降、懸停，因此，不需要很長的跑道和專用機(jī)場，比普通飛機(jī)便利得多。目前，他們正在研制蜻蜒型全電撲翼機(jī)，已進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬試驗(yàn)。

體育全能：昆蟲之家

昆蟲王國的子民無論是地上爬的、土里鉆的，還是天上飛的，個(gè)個(gè)都是運(yùn)動好手。彈跳是動物常用的運(yùn)動方式，捕食、避敵、求偶都離不開彈跳。目前，人類跳高的世界記錄是2.45米，跳遠(yuǎn)的世界記錄是8.95米，相當(dāng)于人體長的1.5～5倍。而昆蟲在這方面似乎要比人類厲害得多，身體僅6毫米長的沫蟬，最高跳躍高度可達(dá)70厘米，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)身高的男性跳過200米高的摩天大樓。有科學(xué)家認(rèn)為，沫蟬是世界上跳躍最高的動物。據(jù)測算，沫蟬跳躍時(shí)加速度可達(dá)到4000米／秒²，承受的重力是自身體重的400倍，而火箭發(fā)射只能承受其自身質(zhì)量6～7倍的重力。沫蟬耐受重力的能力競能勝過火箭，這是科學(xué)家始終都沒有預(yù)料到的。因此，沫蟬的外骨骼力學(xué)結(jié)構(gòu)，成了科學(xué)家研制新航天器的重要參照。

昆蟲中的飛翔能手也很多，其中飛得最快的要數(shù)澳大利亞蜻蜒，它短距離的沖刺速度可達(dá)每小時(shí)58千米。飛行耐力較強(qiáng)的是飛蝗，它們能連續(xù)飛行幾十個(gè)小時(shí)。能飛的昆蟲，大多都有高超的飛行技巧，如蒼蠅，它能靈活地在空中直飛、振翅停留、急轉(zhuǎn)彎、退著飛，甚至還能在空中盤轉(zhuǎn)翻筋斗。這些復(fù)雜、高難度的飛行動作中的物理學(xué)原理一直讓科學(xué)家們捉摸不透。迄今為止，人造飛行器都無法完美呈現(xiàn)出這些高難度飛行動作。