主要观点总结
本文来自知乎的热门文章,主要讨论了关于地球生物为什么没进化出轮子这类或履带结构的问题。文章引用了答主的观点,通过对比自然选择与轮子效率的关系,解释了为什么自然界中某些生物能够进化出类似轮子的结构,但自然界没有全面选择轮子作为主要的移动方式。文章还探讨了腿和轮子的相似之处,以及人类行走与跑步的效率问题。
关键观点总结
关键观点1: 自然选择与自然界的轮子结构
自然选择没有全面选择轮子作为主要的移动方式,但某些生物如螳螂虾会进化出类似轮子的结构。
关键观点2: 腿与轮子的效率对比
腿和轮子在移动效率上有各自的优势和挑战,腿可以在多种地形上适应,而轮子在特定环境下可能更高效。
关键观点3: 自然选择与优化算法
自然选择是一种优化算法,所有表现优秀的设计都像是被优化过的,包括腿和可能的轮子设计。
正文
其实你前面猜的感觉已经有点对了,轮子的效率可能高,可能不高。
想象一个完美的圆形轮子在平坦又坚固的地面上,你轻轻推了一下,它就滚了好远。你拿着这个轮子来到公园的草地上,还是轻轻推了一下,结果它没滚多远就停了(如果你想象到你的轮子倒了,那你应该想象一个更宽的轮子)。你想,哦,一定是草地太软了,带来了阻力。
那我要问你,你自己在草地上走,和在平坦又坚固的地面上走,感觉区别大吗?你在草地上有明显觉得更费力吗?
你会说,那这么看来,腿对地形不那么敏感,所以大自然更喜欢腿这种设计?你可能是对的,但我不是大自然,我不知道。确实,轮子更像是针对特定环境做了优化后的设计,但谁说腿就没有被优化过呢?
自然选择,是一种优化算法,所有表现优秀的设计都像是被优化过的。
我想让你继续思考的是,腿和轮子有哪些共同点,有哪些相似之处
?
这两者看起来区别挺大的是不是?当你走路的时候,你会先抬起一条腿,伸到前面,放下,以此为支点,重心向前移动,抬起后一条腿,跨到前面,如此反复交替。而轮子滚动时只是一直压着地面往前滚。
但我们可以这么来看,你拿一个车轮,把轮框去掉,只留下辐条,像这样。
但愿这些辐条足够结实。如果你骑着有这样轮子的自行车,那应该不会太舒服。不过……阿迪达斯还真有这样的自行车。
有机会不妨试试。所以,你可以把轮子想象成这种有很多条腿的设计。如果你加上更多的辐条,越来越密,最后你就会得到一个正常的实心轮子,也就不颠了。
不过,我们真的不用装这么多条腿。你可能已经注意到了,对于这种没有轮框的轮子,最多也同时只有两条腿着地。
如果能设计一种机构,当后一条腿离地后,迅速把它转到前面,那么两条腿就足够代替这很多条腿了。
把后一条腿换到前一条腿前面,其实没必要绕一大圈。你从一岁多就已经知道该怎么做这件事了。你不会把后一条腿甩过头顶绕到前面去,我也不认为你有那本事。
所以,为了把一条腿挪到前面,同时不蹭到地面,你可能会把腿弯一点来缩小长度,或者左右晃动改变身体的重心,像鸭子或企鹅那样走路,
或者,你同时使用两者。
当你仔细想象这整个过程时,你大概会觉得,有的运动多余,浪费了能量,却又似乎不可避免。当你走路的时候,你的重心也会上下移动,也在颠。但我刚说了,你的腿可以弯。假如,当你往前移动的时候,弯曲支撑你的那条腿,让你的重心高度不变,好像就不颠了。不过你真应该试试保持自己重心高度不变走路,不自然,反而很累。
你可能还会考虑那个让你不舒服的轮子。
如果你把那个奇怪车轮的辐条都换成能纵向压缩的弹簧,假如你能设计的弹性刚刚好,使得你骑的时候重心高度不变。会怎样?
或许不好想象。不过我说了,如果辐条足够密,它就会变回一个正常的车轮。而你,多半是骑过一个胎压不足的正常车轮。确实,重心高度没变,车胎不断被挤压又弹回去,却有很多能量在这一过程中被浪费掉了。显然,只考虑重力势能的变化是不对滴。
那么我们现在保持自然的方式走路,是不是就是最高效的呢?差不多是,不过这取决于你的前进速度。
走路的时候,支撑你身体的腿几乎不会弯曲。你宁可自己的身体上下颠,因为这样更节省能量。不过,你需要不断把后面的腿换到前面。这是必要的能量消耗。但是当你越走越快,继续用这种方式前进就吃不消了。因为你需要用更高的频率切换双腿,更大范围的加减速,更多的能量消耗。
这时,你可能会自然切换到慢跑。你的前进方式已经改变了。支撑你身体的腿开始像弹簧一样工作,落地时压缩,然后发力释放,使得你每一步可以跳出更远。这反而减少了你切换腿的频率,减少了能量消耗。