人的力量是由肌肉收缩产生的,肌肉收缩会持续消耗能量,这种能量消耗是人体内部微观的做功,固定部位的长时间肌肉收缩,还会让肌肉产生疲劳、疼痛等等。
在物理学上,机械做功W=F*S,如果一个力没有产生位移,那么说明这个力没有做功。
现在我们假设一个人提着一桶水,并且原地站着不动,人对这个桶施加了一个向上的拉力,但是没有产生位移,所以理论上这个拉力没有对桶做功。但是我们还是会感觉到累,并且人体消耗了能量,这是为何呢?
从宏观上看,人对桶确实没有做过,但是人要持续施加这个拉力,人体内部是有微观变化的;人体通过加肉收缩产生力量,肌肉的收缩是由肌球蛋白纤维和肌动蛋白纤维相对滑行实现,这个过程需要肌纤维接受刺激,每次刺激产生一次收缩,持续刺激就可以保持收缩状态,刺激信号的产生需要消耗ATP,ATP是生物体的能量储备物质。
人体消耗能量转变为肌肉的机械能,机械能最终都会转变为热能,于是人体会发热、出汗、呼吸加快、心跳加速等等,当ATP供应不足时,肌肉还会参与无氧呼吸继续提供能量,其中就会产生乳酸,所以肌肉会有酸痛感,如果继续坚持的话,刺激频率会降低,肌肉就会产生颤抖,然后就拿不动了。
人体肌肉正常情况下是处于舒张状态,只有接受刺激时才会发生收缩,刺激是利用钙离子与肌钙蛋白的相互作用完成的;其实肌肉在舒张状态和收缩状态下都会消耗能量,只是前者消耗能量少,后者消耗能量大而已,人体的肌肉持续收缩还会产生肌肉疲劳,所以我们无法长时间用一个姿势提着重物。
再回到我们的题目上,人提着一桶水,在物理学上人对桶没有做功,但是在生物学上,人体内部却发生着复杂的生物化学变化,并且消耗了人体内部的能量。