走路为何要挥舞手臂？

冬雪

行走的基本过程已被公众所了解。每走一步，我们都会以那条相对固定的直立腿为支点，另一条腿向前跨出一步，整个行走过程犹如钟摆摇晃那样，身体亦跟着上下移动。行走所需的能量被减到最低，因为在行走的过程中，不断进行着动能和重力势能的转化：开始迈开一步的时候，身体先往上提升，此时脚步减速，完成了前半步，而后，身体又下沉，此时脚步加速，一步才算完整地完成了。在脚步与地面发生碰擦的时候，有一小部分能量不可避免地会以热量以及声音的形式流失，但基本上说来，我们还是可以确保行走过程的连续进行，只需要脚稍稍推离地面，行走就可以自如地进行。　

　　关手臂什么事呢？如此看来，挥动手臂不是白白地消耗能量吗？美国密歇根大学医用工程力学系的Steven Collins和他的同事曾提出了这个问题(就在离今不久的2009年)。他们轻而易举地提出了两种假设。一种假设是这样的，手臂的挥舞有助于减少行走过程中人体重心垂直方向的移动，进而减小脚尖处的动力作用。另一种假设是，手臂的挥动可以帮助抑制腿部的惯性作用，以防身体在垂直轴方向上产生力矩。
　

　　要想检验上述两种假设的准确性，就要用到我在本文开头部分提出的那三种行走方式：手臂自然地挥动；手臂保持固定不动，阻止其前后摆动；同手同脚地行走。Collins团队的研究人员对十个对象的行走过程进行了拍摄，并同时测算了每一种行走方式的耗氧量，还有为此特别设计的，安装在地板下方的三维测力板系统(force plates)则可用来测量在脚尖处产生的动力作用。这套系统通过使用电子变形测量器来测量各个维度下产生的瞬间作用力，并能捕捉到身体在垂直轴方向上发生偏转的时刻。

     对耗氧量的测试结果显示，行走时不挥动手臂要比正常行走自然地挥动手臂多消耗10%的能量，而同手同脚地行走则要多消耗26%的能量。下一步轮到解释其中的原因了。对行走过程的拍摄没有显示出三种行走方式下身体和腿部运动的任何差异，但测力板记录的数据则显示，当三种行走方式中受力一致时，不挥动手臂行走时在身体惯性轴方向上产生的力矩是正常行走时的两倍大，而同手同脚行走则将产生三倍大的力矩。因此很明显，走路时挥动手臂可以降低产生的力矩，并可抵消腿部的惯性作用力，从而减少行走过程中消耗的能量和膝盖处受到的扭转力。