书城科普奇妙的大自然:360°亲近大自然
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第36章 不带油箱的“大力士”——蚂蚁与发动机

小问号

人和动物的肌肉具有惊人的力量。它能提起比自身重许多倍的重物。有人估算,如果人体的全身肌肉朝一个部位收缩,其力量可达25吨,其力量大得惊人。蚂蚁是一种微不足道的小昆虫,它的腿部肌肉纤维达几千条,有6条腿,背东西时背部受力,能将重力平均的分到各条腿上。据力学家测定,一只蚂蚁能够举起超过自身体重400倍的东西,还能够拖运超过自身体重1700倍的物体,被人们称为不带油箱的“大力士”。那么,蚂蚁的动力来自哪里呢?

一般人认为,蚂蚁的腿是“皮”包了“水”。其实,蚂蚁腿部的肌肉,是一台有效的肌肉发动机组,使用的“燃料”是一种结构非常复杂的含磷化合物,称为三磷酸腺苷,即ATP。在许多场合下,只要肌肉在活动时产生一点儿酸性物质(这种感觉就是我们平常说的“胳膊酸了”)就能引起这种“燃料”的剧烈变化,这种变化能使肌肉蛋白在霎那间收缩,并产生巨大的力量。当蚂蚁走动的时候,它腿部的肌肉会立即产生这种酸性物质,从而引起这种“燃料”的急剧变化,这时肌肉收缩起来,一台台“肌肉发动机”就会产生巨大的动力,蚂蚁便将比它身体重几十倍的东西举起来。这是美国哈佛大学的昆虫学家马克莫费特研究得出的结论。据他观察研究,10多只团结一致的蚂蚁,能够搬走超过它们自身体重5000倍的蛆或者别的食物,这相当于10个平均体重70公斤的彪形大汉搬运3500吨的重物,即平均每人搬运350吨,从相对力气这个角度来评价,蚂蚁是当之无愧的大力士。于是,蚂蚁腿部产生了这种令人惊叹的神力!

蚂蚁的肌肉发动机的这种特殊“燃料”,不燃烧、不摩擦,没有能量损失,效率高达80%以上,这就是蚂蚁力量之源,也是奥秘所在。

现在,我们使用的发动机动力利用率与蚂蚁相比,大为逊色。以火力发电为例,要先烧煤,再使水变成蒸汽,蒸汽推动叶轮,带动发电机发电,这中间经过了“化学能-热能-机械能-电能”的几个复杂的能量转换过程,有一部分能量白白蒸发,有一部分在摩擦中消耗,这种发动机效率很低,只有30%~40%。可是蚂蚁的“发动机”利用肌肉里的特殊“燃料”可以直接变成机械能,损耗很少,效率很高。

受此启发,科学家们已制造出了一种将化学能直接变成电能的燃料电池,这种电池利用燃料进行氧化还原反应直接发电,没有燃烧过程,效率很高。同时,科学家们正在潜心研究制造像蚂蚁那样的“肌肉发动机”。这种发动机没有齿轮、火塞和杠杆,体积小、重量轻、操作简单,不产生噪音,也不排出任何有害的高温气体,使用的是聚丙烯酸等聚合材物制成的“人工肌肉”,通过酸或碱的介质,使它产生强烈的收缩和松驰,直接把化学能转变为机械能。这种肌肉发动机一旦走出实验室,将会把又大又重的易燃易爆的油箱抛弃,不论是在军事上,还是在工程技术上,都会大有用武之地。

“小档案”

人类的动力革命道路是漫长而艰辛的。春秋时代开始使用铁器,战国时期铁农具的使用非常普遍,标志着铁器时代到来,有了铁铲和铁犁,牛耕得到推广,后来有了人力车、牛车、马车等。这是我国农业技术史上农用动力的一次革命。18世纪瓦特的蒸汽机(其实是1763~1784年之间对蒸汽机的改进)的发明,把人类带入蒸汽时代,拉开了人类第一次工业革命的序幕,诞生了以蒸汽为动力的汽船、火车等,使人类摆脱了木材时代进入煤和铁的时代。19世纪发电机(1820年7月21日,丹麦哥本哈根大学物理教授奥斯特做了一个举世闻名的实验——电生磁实验,第一次揭示了电和磁的关系,后来29岁的青年法拉第完成了“磁生电”的创举)的发明,为人类迎来了第二次工业革命,飞机、汽车、潜艇等相继走向社会舞台。20世纪中叶,电子计算机的发明(1946年世界上第一台电子计算机诞生。它是由美国宾夕法尼亚大学莫尔电工学院的电气工程师埃克特与物理学家莫希里领导的一个研制小组完成的,历时四年。著名的美籍匈牙利数学家冯·诺依曼在理论上作了指导,所以应当说它是集体智慧的结晶)被人们称为第三次工业革命,把人类社会带进了一个新的时期——数字化信息时代,彻底影响和改变了人们的生活方式。