Re: [問題] 小腿肌到底是省力還是費力槓桿?

作者: blackstaroop (Ashin)   2023-05-25 08:56:01
※ 引述《terryisbest (人生就是一場逆局)》之銘言:
: 關於人踮腳的槓桿力矩分析
: 如下圖所示:
: https://i.ibb.co/njzVzQz/image.jpg
: 圖中小腿肌肉所施加向上的拉力為動力S
: 而身體體重落於腳底槓桿的壓力阻力,於兩腳各別為體重mg的一半為0.5mg
: 已知動力臂1.2長度單位大於阻力臂1.0長度單位
: 當人開始踮腳時做槓桿運動時,以O為支點並繞O點轉動
: 最後當轉動至最高點時而停止
: 由 "轉動力矩平衡" 的條件知:
: S x L2*sinθ = 0.5mg x L1*sinθ
: => S x 1.2 = 0.5mg x 1
: => S = 5mg/12 < 0.5mg
: 故動力小於阻力,為省力槓桿。
: 當阻力臂愈短,S則愈省力。
: 因為剛體在轉動時
: 必須考慮剛體內部每一質點對參考點O所造成的力矩
: 而宏觀態上的表現就是上面所分析轉動力矩的部分
: 然而在最後因轉動停止而達成 "靜力平衡" 時
: 此時對於O點來說,S為身體內部的施力源,為身體的一部分
: 因此在力的分析上S不能獨立分開來算
: (不過這是另外一段屬於生物力學的故事了...)
: 所以O點所承受的正向力恰好為體重的重量
: (雙腳踮腳時:N1=0.5mg, N2=0.5mg,單腳踮腳時:N=mg)
: 這就是之所以為何不論單腳或是雙腳踮腳
: 當你站在體重計上做這兩個動作並且達成平衡時
: N1+N2 = N = mg
: 最後體重計上所顯示的數字,依然會是你自己的體重!
您好,
不好意思,當初我發文後看完了留言,覺得沒有人能回答我,便沒注意了
沒曾想還有回文,現在才看到
先感謝你的回覆,但沒有回答到我的問題,我沒把問題描述清楚
你的回應以及圖片我在網上看了不下十次,幾乎都是一樣的論證方式
先看圖https://i.imgur.com/VWGeEbP.jpg
但網上的回覆最大的疑惑是:為什麼脛骨的位置直接就是體重的一半?這個推論不存在靜力學的支持吧?
小腿由脛骨和腓骨組成,我後續的圖畫也會以此討論
預設思想實驗:
1. 假設我們處於無重力的環境,在運動小腿肌時我們不會知道我們推的是身體、亦或是一條拉力帶在受力
2. 討論的對象只使用一隻腳,他是殘疾人
3. 根據1.的描述,我們站著踮腳、與坐著使用彈力帶拉扯腳掌,應該視為等效的力學行為
4. 此時彈力帶的力量恰好為體重mg,因變形量太小故全程力視為等大
5. 因無論腳掌傾斜角度如何,脛骨、腓骨與腳趾之力臂關係皆不變,故簡化為水平力臂計算
https://i.imgur.com/BWokrep.jpg
找不到好用的軟體,只好手繪了,我標記了腳趾、脛骨、腓骨的相對位置
角度thita趨近於0,所以力臂視為水平簡化計算
簡化為下方類似於簡支梁的結構
腳趾的mg是已知拉力帶給予的力量,小腿肌給予的S力位於最末端
這個殘疾人目前處於靜力平衡的狀態
根據mg = 0.2 x S
S = 5mg,這個結論與使用彈力帶還是站力著,應該具有相同的結果
能不能根據我的預設思想實驗,告訴我哪部分假設錯了呢?
是彈力帶和體重不等效嗎?還是站力的時候腳趾的反力是變化的呢?不總是mg?
那人豈不飛天了嗎?
網上那套回覆正因為沒法回答我以上的問題,即便我看了十幾套一模一樣的答案,也還是覺得沒懟到點子上
還請大家幫我排查一下
謝謝
17:01:
想來想去,應該不是等效的
https://i.imgur.com/7V3CWmw.jpg
正經的自由體圖應該是這樣,請容許我手繪
左邊為整個身體,微微的踮腳只踩在腳尖上,身體重心會經過接觸點
此時mg = mg
右邊切開自由體圖,會產生一個向下的mg、彎矩M
腓腸肌可以提供彎矩M,使整個系統達成靜力平衡
上方mg與腳尖之力臂,必定會小於後踵施力點之力臂
看整體比單看腳踝容易多了
作者: AEIOUTIPSS (consious)   2023-05-25 09:28:00
要考慮的東西有小腿周圍一圈的肌肉 還有骨頭本身在堆疊產生的剪力 不是只有一條阿基里斯腱拉到腳跟?
作者: FatZhai017 (人如其名)   2023-05-25 09:50:00
這麼專門的問題 有辦法討論嗎
作者: peter0726 (江 謝)   2023-05-25 10:42:00
1. 踮腳瞬間不是靜力平衡2. 踮腳站立(靜力平衡)狀態下身體質量中心不在腳掌中間
作者: tigotigo (鐵劍)   2023-05-25 10:43:00
去體大旁聽個四年應該可以解決你的問題
作者: peter0726 (江 謝)   2023-05-25 10:43:00
而是在接近腳尖處,因此力過支點
作者: leoguan888 (gys)   2023-05-25 11:46:00
好奇問這個問題目的是什麼人的重心根據站姿應該會在腳趾腳跟間浮動吧
作者: HYSKOA (您真是高tho)   2023-05-25 12:13:00
你用彈力帶時跟用體重的支點跟阻力的位置反過來了,算出來當然不一樣
作者: king90046guy (一條龍)   2023-05-25 14:40:00
很好的討論
作者: bearching (Pandora`s Box)   2023-05-25 15:08:00
請問一下小腿肌施加向上拉力,有考慮到踮腳往下的推力嗎?
作者: peter0726 (江 謝)   2023-05-25 15:52:00
踮腳角度趨近零的時候力矩不為零 (因為"正在"踮起來)因為合力矩不為零 所以你不能用靜力平衡的方式算你可以自己操作看看 你如果要定在腳掌幾乎水平的狀態上半身一定會前傾,讓身體質量中心向前
作者: HYSKOA (您真是高tho)   2023-05-25 17:03:00
你算體重的時候抗力點在脛骨而支點在腳趾(抗力點在施力點跟支點之間),算彈力帶的時候抗力點在腳趾而支點在脛骨(支點在施力點跟阻力點中間)。這兩種算法當然會得出不同結果。你要得到相同的結果,就把拉力帶放在脛骨下,就變成施力點在腳趾而抗力點在脛骨下然後支點在腳跟,那就是省力槓桿了
作者: wupeter09 (wupeter0001)   2023-05-25 17:31:00
我不是這方面的專家,但我還是想要發表一下我的觀點,在我仔細看過你的問題經過長時間的思考後,我其實也不知道要怎麼回答,正如我一開始說的,我不是這方面的專家。
作者: dirtyli (feeeeed)   2023-05-25 20:43:00
生物力學的天然設計真是奧妙其實這個假想實驗非常容易親自嘗試吧 你自己站立 很明顯受力點是腳趾 你腳掌站在水管欄杆上 就真的很省力為了爆發速度 刻意演化成必定腳趾受力 真的很有趣奧妙更有趣的是 你甚至可以達成中心位於腳掌中央的靜力平衡[你會發現想達成這種情況你的小腿難以發力 變相表示省力
作者: roy911006 (ROY)   2023-05-25 22:44:00
或許可以參考 windlass mechanism

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