在人们只能想象成乔瓦尼·卡瓦尼亚（Giovanni Cavagna）最有趣的家庭视频中，卡瓦尼亚，一位来自米兰大学的快乐生理学家，穿着飞行员服，站在一架空中客车A-300的乘客舱内。这架飞机由欧洲航天局运营，已经清空了座椅，装满了科学设备。卡瓦尼亚咧着嘴笑着，手里拿着一个正在稳定摆动的钟摆。在他旁边，他的朋友兼长期合作者诺曼·赫格兰德（Norman Heglund）在一块 10 英尺长的平台上稳定地来回踱步。飞机正以约 30,000 英尺的高度，飞越法国波尔多附近的比斯开湾。美国宇航局有一架类似的飞机，叫做“呕吐彗星”。突然，空客开始爬升——爬升得如此陡峭，以至于外面的地平线几乎变成了垂直的。通常在这个时候，飞行员会把操纵杆向前推，并将发动机的推力调至很低，使飞机越过抛物线的顶点，然后进入俯冲。大约 20 秒后，我们将看到卡瓦尼亚等人漂浮在衬垫隔间中，处于零重力状态。然而，这次，飞行员将重力调至仅为地球重力的 40%——大约是火星上的重力。卡瓦尼亚仍然能站稳，但他的钟摆开始以缓慢、宽大、不规则的弧度摆动。在平台上，赫格兰德现在正以缓慢、漂浮的长步伐行走。“在 0.4g 的重力下，你感觉很棒，”卡瓦尼亚说。“在火星上行走会很棒。”卡瓦尼亚说，在地球上行走有点费劲——试图理解它的物理原理也是如此。卡瓦尼亚的空客实验只是他长系列实验中的最新一项；近 40 年来，他一直在研究我们笨拙的运动方式。很早以前，他就发现了我们的基本策略：为了节省能量，我们像钟摆一样行走。问题是我们做得不好。钟摆是一种将运动的动能转化为重力势能再转化的装置。当它移动到其弧线的底部时，钟摆的速度，也就是它的动能——质量乘以速度的平方除以二，即 mv 2/2——达到最大值。在其弧线的顶部，钟摆减速至停止，但在那个点，势能——质量乘以重力乘以高度——达到峰值。当钟摆向后落下时，势能又转化为动能。在一个好的钟摆中，转换率接近 100%，只有少量能量因空气摩擦和悬挂点的摩擦而损失。轻轻拨动一下，钟摆就会长时间摆动。你每走一步，你自己就变成了一个倒立的钟摆：你围绕着着地的脚进行旋转，仿佛用那条腿进行撑杆跳，你的质心，大约在腹部，会描绘出一个弧线。当你把一只脚向前放在地上时，地面会向上通过你的腿施加一个力，使你减速，并且当你在这只脚上站起到达弧线的顶部时，你将继续减速。在那个点，你的动能最小——但你的势能最大。当你向前倒向下一步时，储存的势能又转化为动能，你又开始加速。“如果身体是一个完美的钟摆——如果它能在不浪费一卡路里的情况下将动能转化为势能再转化回来——那么行走将几乎不费力，”比利时鲁汶大学生理学家赫格兰德说。“但你只相当于一个完美钟摆的 65%。”换句话说，每一步的能量有 35% 必须从你燃烧的食物中重新供给。鱼和鸟做得更好：它们每单位距离消耗的能量比我们少，即使鸟类一直在对抗重力，鱼也必须在致密的液体中艰难前进。“那么我们为什么会出汗？能量都去哪儿了？”卡瓦尼亚问道。“这是我们与自身对抗产生的能量。这是协调性差。”在我们腿部的某个地方，肌肉相互拉扯，将能量以热量的形式浪费掉。即使过了四十多年，卡瓦尼亚也不知道能量是在哪里浪费的——但他知道是在步态的哪个阶段。线索来自他和赫格兰德以及赫格兰德在鲁汶的同事帕特里克·威勒姆斯（Patrick Willems）与肯尼亚妇女进行的一些实验。肯尼亚的基库尤族和卢奥族的妇女有一种非凡的能力：她们可以在头上顶着一篮子重达其体重 70% 的农产品。赫格兰德试图模仿，戴着装满铅弹的自行车头盔；他最多只能达到体重的 15%。“当如此大的重量失去平衡时，感觉就像要把你的头扯掉，”他解释道。然而，非洲妇女最令人惊讶的能力是，她们可以毫不费力地携带相当于自己体重 20% 的物品——也就是说，在不使用更多氧气、不燃烧更多卡路里的情况下，就能做到这一点。研究人员感到困惑，让这些妇女在一个记录脚部受力的平台上行走，从而测量了步态每个阶段的动能和势能。卡瓦尼亚的团队发现，有一个阶段，负重的肯尼亚妇女比其他人做得好得多。当我们从一步的顶部过渡到下一步的下降时，我们大多数人会几乎察觉不到地停顿几毫秒：我们在下落并损失势能，但还没有将其转化为更大的速度，因为我们腿部的肌肉正在收缩并抵抗下落。肯尼亚妇女在不负重时也会这样做。但是，当她们头上顶着重物时，不知何故，她们能够缩短甚至消除这种停顿——从而将更多的势能转化为前进的动力，而不是肌肉产生的热量。在步态没有明显变化的情况下，她们的能量转换率从 65% 提高到 80%。换句话说，她们变得更像完美的钟摆。不幸的是，她们也不知道她们是怎么做到的。对大多数人来说，最佳步行速度——即动能与势能平衡的速度——约为每小时 3 英里。但是腿短会减慢步行速度，低重力也是如此。在火星上，0.4g 的重力下，你会滑行着前进，比在地球上更容易抬腿，因此在任何给定速度下产生的力都更小。但你无法走得很快，因为你下降到每个新步伐的速度会慢得多。在月球上，大约 0.17g 的重力下，为了使你的动能与微小的势能保持平衡，你必须走得如此缓慢，以至于几乎无法前进。1969 年，当尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林迈出他们“为人类迈出的一大步”时，卡瓦尼亚看到他们弹跳（一种奔跑方式）而不是行走，一点也不感到惊讶。他早在 1964 年就预测了这一点。卡瓦尼亚说，空客实验带来了一个可能很有用的教训：对于载人火星任务，航天器设计者或许可以考虑将人造重力设定为 .4g 的宜人气压，而不是 1g。当然，他们不应该选择 1.5g，卡瓦尼亚通过驾驶急转弯飞机，让空客飞行员为他的团队模拟了这种重力。在 1.5g 的重力下，你走得更快，但你感觉，嗯，非常沉重。“你抬起脚开始向前倒，你以为你会摔倒在鼻子上，”赫格兰德说。视频显示卡瓦尼亚像卓别林一样摇摇晃晃地走着，看起来一点也不稳定。下一次卡瓦尼亚乘坐空客时，他计划在 1.5g 的重力下跑步；这就像背着半个肥胖的体重包跑步一样。67 岁，腰背不好，他正在挑战医生禁止他这样做。“我这样做不是因为它有用，”卡瓦尼亚说。“我这样做是因为它很有趣。” **网络资源：** 关于早期对肯尼亚妇女步行研究的讨论，请参见《发现》杂志 1995 年 8 月刊卡尔·齐默（Carl Zimmer）的《生物力学观察》；该文章可在 www.discover.com 找到。
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