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简单计算秒速4米的人跑步推进效率

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  • d盾牌星座b
  • 变形战舰
    15
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简单计算秒速4米的人跑步推进效率
人的形状,大腿0.5米,小腿连脚0.6米,体重75千克,其中腿占体重的45%,单腿16.875千克,小腿连脚算一部分和大腿各占腿重一半。

跑步前进速度4米每秒,也就是不到15公里时速的速度,这个放在当过一般步兵那也只是一个连及格都不算的标准(只要不是草莓兵,各军事强国步兵负重25公斤越野可以这个时速跑5公里,还有体力不休息继续作其它运动)。
跑步是自然迈腿姿态,且假设人跑步过程上身水平运动是匀速的,也就是前迈腿大小腿夹角自然弯曲,多数人这个自然屈膝角度约30度,这里就取15度吧。后腿蹬直。整个迈步没有腾跃离地,一般人胯张角在120度左右,取120度。那么不难算出步长取整是2米,迈到最大步长得时候胯高是0.4米。这是第一步。
将第一步各力做功分解为水平方向做功,这是推进做功。垂直方向做功,这是重力损耗。前腿迈出,这是迈腿损耗。
先求出各物理量:自然屈膝迈出得腿转动惯量20.049 m^2*kg.4米秒速迈出腿得平均转速:4 rad/s.
那么推进平均能量为465J——由后腿用力蹬和重力形成合力推进上身和前腿一同前进的产生推进功率。
重力损耗由后腿受重力做功旋转产生,这个部分损耗为99.225J。
前迈腿迈开然后落地完成第一步,前迈腿的转动能对于推进不做功在前腿落地的时候和地面摩擦制动损耗掉,这个部分损耗是160.392J。
所以算得了以秒速4米跑步,一个腿长1.1米的正常体态成年人推进效率约是64.17%。

结合null84计算,可以看跑步越快效率越低。这里不考虑风阻。
这秒速也没有什么严谨论证,就是来源于生活:去年下半年的时候,我住的小区办了个业主运动会。我参加了1000米的跑步赛,我所在这组是中年组了,要求跑进4分20秒才过及格线拿鼓励奖。我是最后一个够资格拿鼓励奖金的人,成绩就是4分11秒。比我跑的快的人一大把。我看其他组那些跑的快的就是大约这样的步态:120度甚至更大的胯角,基本是没有腾跃离地步子。我在的组第一名是三分二十秒跑完也是一名老退伍兵。比我还慢的就两人,一个人穿着一身豪华跑步衣看上去像是专业跑鞋,跑得一跳一跳地就是那种腾跃步,结果可能是在800米就累岔气了退出比赛,另一个是起步就摔倒了,我算是这一组最后一名了。


  • d盾牌星座b
  • 变形战舰
    15
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不对,还漏算了一项迈腿损耗:前腿迈出既是向前也是向高转动,前腿迈高的重力损耗向是91.78J
修正得到推进效率是56.96%。


2025-09-10 00:00:45
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  • Null84
  • 重型机甲
    11
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自然屈膝迈出得腿转动惯量20.049 m^2*kg?……这不对啊……
4 rad/s这转速也有点神……
感觉你这计算错误较多……


  • d盾牌星座b
  • 变形战舰
    15
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多谢nu提醒,我算转动惯量有疏漏(忘了公式还有个三分之一得系数)
修正算的推进效率是65.54%


  • d盾牌星座b
  • 变形战舰
    15
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补充说明实际上此次事例跑步我观察迈出前腿是分两步迈出的:前腿先以一个直角拐形迈出,然后小腿进一步打开,这样算得损耗的迈腿转动能是76J,我简化的那个一步整体迈出损耗还要低20J


  • d盾牌星座b
  • 变形战舰
    15
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我想说我又找到一个漏掉的损耗项,就是身子本身的重力损耗,加上之后发现效率降到了57.89%。


  • d盾牌星座b
  • 变形战舰
    15
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重力损耗这个词有点误导了不妥,其实该叫克服重力做功的损耗。


  • 贴吧用户_088y1C8
  • 巨型机甲
    13
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那轱辘效率一般能有多少【看,是中年人】


2025-09-09 23:54:45
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  • d盾牌星座b
  • 变形战舰
    15
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我看有个广泛的误区,认为车辆是靠与地面摩擦力推动,也是与地面静摩擦力贡献滚动行驶阻尼。
这是不对的,认真分析,车辆是靠扭动轮胎的反弹力推动的,滚动阻尼也是来自于扭转轮胎产生的橡胶变形和震荡轮胎内部空气产生。
以动作夸张的赛车为例,在高速摄像机里,加速的时候轮胎是这样式的。









  • d盾牌星座b
  • 变形战舰
    15
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  • d盾牌星座b
  • 变形战舰
    15
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汽车得驱动力最终是通过轮子得反弹力,实现推进汽车前进得,与地面得静摩擦力唯一一个作用就是有且只提供附着,让轮皮能摩擦在地上和轮毂轮辋之间产生弹性扭转,有弹性扭转才有反弹力矩。
平时乘用汽车得动力小,轮胎上反弹力矩不明显,不足以为肉眼看到,这种现象只有扭矩强大的竞技赛车才能明显体现出来,如下面这些后驱车为什么起步一瞬间会抬头,难道是前轮装了弹射器装帅装壁么?不是的,是后轮反弹的扭矩。







特此强调:只要不打滑,摩擦力与驱动车辆的动力就毫无关系,对同一个车而言,满足附着要求的摩擦力翻倍也毫无意义,对于其动力是毫无提升(特定花纹能提升在雪地泥地的附着力,但是对于动力还是没有关系)。


  • abc518448
  • 重型机甲
    11
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迈腿的转动能量不是完全损耗,而且损耗方式主要是非弹性碰撞而非摩擦力制动,毕竟如果是摩擦力耗散了能量,这人的脚已经在地上打滑了


  • abc518448
  • 重型机甲
    11
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  • d盾牌星座b
  • 变形战舰
    15
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那位可千万别给我提什么整体与部分。
看此图,再说一遍是摩擦力推进?再说一遍没有别的力。


2025-09-09 23:48:45
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  • d盾牌星座b
  • 变形战舰
    15
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轮子是转动,车子是平动,无论什么条件这都是一个力学系统?


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