一块磁铁吸在冰箱侧面几十年不掉,克服重力的能量从哪里来的?
简单讲,克服重力不需要能量,只需要力!
图示:冰箱贴美化生活,冰箱贴不会掉,是依赖磁力和摩擦力,只要这两者之和能对抗重力就不会掉落,物理世界中力和力对抗并不耗能。
先抛开磁铁,让我们想想一个木块放在有摩擦力的斜面上,它也可能静止地呆在斜面上几十年不下滑,那么帮助它克服重力需要消耗任何能量吗?不需要,只需要摩擦力=重力的分量,那么就能保持静止不动。
如果还是不能理解,那么想想考驾照时的坡道起步,当汽车拉下手刹停止在斜坡上时,汽车同样受到地球引力影响,这你只要松开刹车就能明白。那么当汽车静止在坡道上时,它克服地球引力需要消耗能量吗?当然不需要。否则停在坡道上的车,就会自动耗油了。
图示:坡道起步,驾照重点考察内容。
最后再说一个例子,悬在半空不动的电梯,只要它不动,它就不需要耗能,只需要提供足够大的摩擦力即可。
图示:电梯井,悬挂电梯的钢索。如果钢索承受不住,电梯的重量就会发生断裂。但是不仅克服重力,还要向上运动,那么你就需要耗能了。
为什么我们总是将力和能量这两个概念混在一起呢?
因为,假如这力由人来主动提供,那大多数情况下,我们的身体的确是需要消耗能量,才能提供力。比如用手指将木块用力压在光滑的墙上,是很累人的活,又或者将自己悬挂在单杠上。
图示:仅仅只是吊着就很累,因为我们的肌肉会因重力的影响收缩来对抗重力将它撕裂的倾向!不管这收缩多微弱,都意味着做功耗能。不要以为吊着就没做功,只是微弱的做功而已。
但特别喜欢倒挂的蝙蝠,就很少动用肌肉的能量,这是它的休息姿势不是它在锻炼身体,而这是通过肌腱锁定机制来实现的,用肌腱这个强大的抗拉材料,来对抗地球的重力。
与此类似,许多鸟儿站在树枝和电线上,也同样具有肌腱锁定机制,这能让它们不需要或者少消耗能量,就能保证自己不掉下去,一点都不累。
图示:电线上的鸟儿,世界各国常见风景
当鸟儿抓住电线时,它的脚关节肌腱就自动锁定了。只要肌腱的构成能支撑住身体的重量,它就不需要消耗能量来维持身体平衡或至少只需要消耗很少能量,也不用担心自己会掉下去,当它要飞走的时候,它才需要动用肌肉解锁关节,放开脚爪自由飞翔。
图示:当利用肌腱锁定脚爪后,就不需要肌肉收缩提供能量了,依靠肌腱的本身的物理性质提供力量,这是不需要耗能的,但这依赖的是特殊的肌腱和关节形状,以及它们的物理性质。
希望我已经将这个问题分析透彻足以解惑了!