脚趾有什么用？与能让我们操作工具的手指相比，脚趾通常被认为是必不可少的脚趾，除了抓地力和平衡之外，没什么大用。但布朗大学的生物学家 David Carrier 认为脚趾应该得到更多的尊重。在他看来，它们是人体引擎的档位，让我们能够以极高的效率行走和奔跑。Carrier 将汽车和人之间的类比解释得非常精确。在汽车中，当活塞以一定速率跳动并且曲轴以每分钟一定的转速旋转时，发动机效率最高。超过这个范围，活塞就不能很好地传递力，额外的转速只会浪费汽油而不会显著提高汽车的速度。档位通过改变发动机速度和车轮速度之间的比例来解决这个问题。换到更高的档位，车轮可以转得更快，而活塞则以峰值效率稳定运行。Carrier 意识到肌肉也有一个最佳性能区间，超过这个区间，它们的效率就会下降。他想到，进化可能模仿了底特律，并在人体中加入了档位。为了找出答案，Carrier 和他的同事 Kathleen Earls 和 Norman Heglund 拍摄了志愿者在力敏板上奔跑的视频，并计算了每一步的力和方向。你可以将一步看作是杠杆的倾斜。脚踝是支点，杠杆的一臂延伸到脚跟上方跟腱附着点。当脚接触地面时，它会减速，为了再次加速脚，小腿肌肉会收缩。它拉动跟腱，从而使杠杆的另一臂向下倾斜，该臂延伸到施力于地面的脚底的那个点。旋转的脚向前推进腿和整个身体。但是，问题很快就出现了。Carrier 说，在一步中，力的中心从脚跟非常迅速地移动到前脚掌。收缩的小腿肌肉使杠杆以越来越快的速度倾斜，小腿肌肉必须通过更快地收缩来匹配这种速度。尽管 Carrier 还没有真正测量过收缩速率，但他认为，在某个点，肌肉将超出其最佳性能区间。然后，步行者面临着与在第一档位开始加速时达到极限的驾驶员相同的两个选择：他可以停止加速他的脚，放弃快速移动，或者他可以换档。这就是脚趾的作用所在。Carrier 解释说，在汽车中换档就像改变杠杆的臂长。想象一个男孩坐在跷跷板中间。如果你以每秒六英寸的速度向下推你的一端，他将以每秒三英寸的速度上升。但是，如果男孩移到跷跷板的远端，你只需以每秒三英寸的速度向下推，就可以以相同的速度将他抬高。通过延长他这一端的杠杆，你减小了引擎速度（你）与车轮速度（男孩）的比例。换句话说，你已经换到了更高的档位。在 Carrier 的模型中，当你的体重在一步中落在前脚掌上时，你就处于低档位。他说，如果我们没有脚趾，力的中心就会停留在前脚掌下方，因为你的脚会停在那里。但是通过将重心转移到脚趾上，你就延长了杠杆臂。现在你的小腿肌肉可以以更慢、更有效的速率收缩，并且仍然以更高的速度倾斜你的脚尖。换句话说，你又换到了更高的档位。你的脚在匀速奔跑的每一步中都会产生这种小的加速。但是，当你从站立状态开始奔跑时，它会加速四倍。Carrier 还让他的志愿者以这种方式奔跑，用第二步撞击力敏板。结果不会让任何跑过 100 码冲刺的人感到惊讶——或者像换挡汽车一样从静止状态加速。在这两种情况下，重点都是通过最大化施加在地面的力来最大化加速度——而不是效率。脚通过保持杠杆的那个臂短来实现这一点。Carrier 说，在快速加速期间，力的中心会一直停留在前脚掌下方，直到几乎最后。这就像你一直停留在第一档，而从未换到第二档。
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