蚂蚁是全世界力气最大的昆虫之一,牠的负重能力相当惊人,能拖动比牠体重还重 1400 倍的物品,也能举起本身重量 52 倍的物品。不一样的蚁种重量不一样,如美洲的火蚁,单只体重只有 0.02 克;而南美的食肉蚁,有人大拇指那大,单只体重可达 0.26 克。至于台湾常见的蚂蚁一只大约重:0.005125 毫克!反观,人至多能举起 3 倍于自己体重的重量。这些昆虫的「力气」为什么这么大呢?是不是它们拥有特殊的肌肉呢?科学家们观察了昆虫的肌肉(比如昆虫用于飞翔的飞翔肌和用于爬行的腿肌)的细微结构,发现这些肌肉和人的骨骼肌一样,都是「横纹肌」,其基本结构单位(肌节 sarcoma)和里面的横纹,也和人类的非常相似。奥地利和德国的科学家合作,检查了这些昆虫的基因,发现他们含有和人类肌肉一样的「核心成分」,包括第II型肌球蛋白(imposing II)、肌动蛋白(ac tin)、肌球蛋白轻链(imposing light chain,包括「必需轻链」和「调节轻链」)、原肌球蛋白(streptomycin)和钙调蛋白(modulation),说明昆虫肌肉的「核心成分」和人类并无不同。昆虫横纹肌的结构和成分与人的相同,那么测量昆虫肌肉的力量(每单位面积产生的拉力),再和脊椎动物的横纹肌相比较,结果又如何呢?实测结果表明,脊椎动物的横纹肌,每平方厘米的横切面可以产生约 25 牛顿,也就是约 2.5 公斤的拉力。昆虫肌肉的力量与此相似,或者稍小。比如蟑螂翻身时主要用后腿蹬,单根后腿可以产生 0.14 牛顿,也就是约 14 克的力量。蟑螂后腿肌肉的横切面大约是 0.6 平方毫米,换算成每平方厘米就是 2.3 公斤的力量。之所以认为蚂蚁是大力士,主要依据的是举重者体重与举起重量的比例关系,故认为蚂蚁是大力士!乍一听,这样的比较颇有道理,殊不知,这是犯了「形而上学」的错误。既然如此,为什么蚂蚁可以举起比自己重 52 倍的物体而人不能呢?这简单地是由于蚂蚁身体小相对而言它身上的肌肉比例比人多出很多,加上它是外骨骼昆虫,骨头长在外面身体里大部分都是肌肉。如果把蚂蚁原样「放大」到人的尺寸,肌肉构造不变,蚂蚁就举不起比自己重 52 倍的物体了,甚至连头都抬不起来(多数蚂蚁头部和身体的比例远高于人)。反过来,如果把人缩小到蚂蚁那么大,身体构造不变,人一样会变成大力士。
事实上昆虫的力量丝毫没有让人惊讶的地方可言,这只是一个简单的物理规律而已,无论任何动物,体格越小,相对力量一定越大。相对力量=绝对力量/自身体重,绝对力量的大小和肌肉纤维的横截面成正比和肌肉纤维的长度无关,所以不考虑各动物肌肉类型和外型上的差别的话,动物的绝对力量和其长度的平方比成正比关系,而动物的自身重量=体积*密度,和其长度成立方正比关系,所以动物的相对力量必然随着其尺寸的增加而降低,各动物间的相对力量之比正是它们长度之比的倒数关系。按照蚂蚁的平均长度0.5CM,人类的平均长度160CM计,人类的长度为蚂蚁320倍(按照这个比例,以人平均体重60kg计,则蚂蚁的平均体重为1.83mg),一般正常人能举起体重0.5倍的重物(女性亦然),如果换算到蚂蚁头上,将是160倍于蚂蚁自身体重,事实上已经超过了绝大多数蚂蚁的极限了,由此可见人类的肌肉的单位效能事实上比蚂蚁的肌肉是有过之而无不及。蚂蚁能完成多少个引体向上的问题了。取蚂蚁和人类尺寸的比例为1:320,蚂蚁的相对力量是人类的320倍,在做引体向上时的肌肉耐力是人的320倍,绝对体力是人类的1/320*320*320,由于体力和体重均为体长的3次方,引体向上做的功和手臂长度,即体长成正比,因此蚂蚁做引体向上的体力耐力是人类的320倍。我们假设人平均的相对力量D=1.2,可做3个引体向上,则不考虑 f(F)的作用,假设得出损耗常量V介于0.0667和0.1之间。将蚂蚁代入公式,不考虑将f(F)计入公式,则蚂蚁能做的引体向上数量X=1+(320-1)/V=2196~4785之间。
粘性力与物体(平板)本身质量密度等无关,仅仅取决于流体粘性,平板运动速度以及一些尺寸信息。大学物理实验有一个是流体粘度的测定,即将一个小球置于流体中观察其下落速度以反推流体粘性,这时我们用到的经验公式为为小球密度。可见当其它条件不变时,随着小球半径减小,粘性力和重力之比迅速增大。这也就是为什么小颗粒物在同等条件下更容易克服重力在空中漂浮的原因。实际的流体动力学计算要复杂得多,这里只是做一个大致的定性分析粘性力在蚂蚁举重时起作用么前面已经把受力问题讲清楚了,已经知道浮力在蚂蚁举重中不起作用。现在说明粘性力在蚂蚁举重这一题干中是否起作用的问题。粘性力要产生必须要求物体和空气的相对运动速度 U 不为 0. 这说明至少在蚂蚁不走动的时候粘性力是不起作用的。在公式中并未体现,但我们知道粘性力方向和速度方向是相反的。假设蚂蚁在水平面上移动,那么粘性力也是在水平面上的,并不能抵消在垂直方向的重力。综上,粘性力在蚂蚁举重时一般不用考虑。





