为什么骑车上坡很困难，但推车上坡却很轻松
环球科学约 4 分钟撰文 | Anthony Blazevich
翻译 | 刘雨彤
审校 | 不周
你正站在家门口，面对五公里的通勤路程。你没有汽车，这里也没有公交车。你可以选择步行1小时，或骑自行车15分钟到达，几乎不费任何力气。你选择了后者。
许多人会做出同样的选择。据估计，全球有超过十亿辆自行车。骑行是人类发明的最节能的交通方式之一，它使人类移动得更快，也更远，但消耗的能量却比步行或跑步更少。
图片来源：Unsplash
但为什么我们会感觉蹬自行车踏板比走路轻松得多呢？答案在于我们人体与这台两轮机器之间巧妙的生物力学相互作用。
简单机器
自行车的核心极其简单：两个轮子（英文单词“bicycle”中的前缀“bi-”意为“两个”，词根“cycle”则源于希腊语“kyklos”，意为“圆圈、轮子”），通过链条将动力传递到后轮的踏板，以及让我们微调骑行力度的变速器。然而，这种简单其实掩盖了与人类生理结构完美契合的工程设计。
当我们步行或跑步时，本质上是在以一种受控的方式向前倾倒，每一步都要“抓住”自己。我们的双腿必须摆动出较大的弧度，每一步都需克服重力抬起沉重的肢体。仅这一摆动的动作，就会消耗大量能量。想象一下：如果连续摆动双臂一小时，会有多累？
图片来源：Unsplash
在自行车上，双腿的运动幅度则是更小的圆周。你无需每一步都摆动整个腿部的重量，只需通过紧凑的踩踏循环旋转大腿和小腿。显然，这种运动能够节约能量。
但真正的效率提升来自自行车将人力转化为前进动力的方式。当步行或跑步时，我们每一步都会与地面发生轻微的碰撞。你可以听到鞋底与路面撞击的声音，也能感受到传遍全身的震动。这其实是能量通过肌肉和关节传递后，以声音和热量的形式消散。
步行和跑步还涉及另一种低效的因素：每迈一步，你其实都会在前进之前稍微施加阻力以减速。当脚掌落在身体前方时，会产生向后的力，暂时减缓你的速度。你的肌肉必须额外用力克服这种自我施加的阻力，然后再次加速前进。
“亲吻”路面
自行车则利用人类最伟大的发明之一——轮子——来解决以上这些问题。
与我们迈步时发生的碰撞不同，自行车与路面是滚动接触——轮胎的每个部分在离地前都会轻柔地“亲吻”路面，不会因撞击损失任何能量。由于轮子旋转顺畅，力完美地垂直作用于地面，因此不会出现启停制动动作。你踩踏产生的力量直接转化为前行的动力。
图片来源：Unsplash
但自行车还能帮助我们的肌肉发挥最佳状态。人体肌肉有一个根本的局限性：收缩速度越快，力量越弱，消耗的能量也就越多。
这就是著名的肌肉力量-速度关系。这也是为什么冲刺比慢跑或步行感觉更困难——你的肌肉在接近速度极限时工作，每走一步效率都会变得更低。
自行车变速器为我们解决了这个问题。当你加速骑行时，可以切换到更高档位，这样你的肌肉就无需在自行车加速时用力过猛。无论是力量产生还是能量消耗，你的肌肉都可以保持最佳的工作状态。这就像拥有一位私人助理，可以不断调整你的工作负荷，让你始终处于最佳表现状态。
步行上坡
但自行车并非总是最优选择。
在坡度超过15%的陡坡上（即每前行10米就上升1.5米），双腿很难通过圆周踩踏动作产生足够的力量，将你和自行车抬上坡。但通过伸直双腿，我们能产生更大的力量，因此步行或攀爬在爬坡时会更有效。
图片来源：Unsplash
即使修建了道路，我们也不会骑自行车登上珠穆朗玛峰。
下坡的情况则不同。骑行下坡会逐渐变得轻松（最终甚至无需消耗身体能量），但步行下坡却会变得越来越困难。
图片来源：Unsplash
一旦坡度超过约10%（即每10米距离下降1米）时，每一步下坡都会产生剧烈的冲击，浪费能量并给关节带来压力。事实上，步行或跑步下坡并不总像我们想象的那样轻松。
不止工具
数据不会骗人。骑行至少比步行节能四倍，比跑步节能八倍。这种高效性源于最大限度地减少三个主要能量消耗：肢体运动、地面冲击和肌肉速度限制。
因此，当你下一次骑车轻松超越行人时，不妨花点时间欣赏一下你脚下的生物力学杰作。
图片来源：Unsplash
你的自行车不仅仅是一种交通工具，更是一台与你生理机能完美契合的机器，它将你原始的肌肉力量转化为更高效的运动！
原文链接：
https://theconversation.com/cycling-can-be-4-times-more-efficient-than-walking-a-biomechanics-expert-explains-why-257120#
本文来自微信公众号“环球科学”。如需转载，请在“环球科学”后台回复“转载”，还可通过公众号菜单、发送邮件到[email protected]与我们取得联系。相关内容禁止用于营销宣传。
-电商广告-
《环球科学》2025年8月新刊销售中
戳图片或阅读原文
立即购买