为什么蚂蚁可以举起自身重量100-400倍的东西？

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这是一个很有意思的话题。我们知道结构的承受能力与其尺寸基本上是成正比的。但是瘦小的蚂蚁却可以举起远大于自身重量的物体。这其中有什么力学原理呢？

1、蚂蚁的有关数据

蚂蚁是一种非常小的生物。它因为只能爬行而被科普人士认为是二维生物。这当然是一种科普说法。我们来看一下蚂蚁的身体构造：六条腿。两跟触须。一个大夹嘴。细长的身体。最后一个大尾巴。

通常一只蚂蚁重约25-60mg。蚁王略重。可以有120mg。按题主所说。高达400倍后。重物质量约16g（以蚂蚁40mg计）。但是。400倍其实也不是蚂蚁的极限。有研究（2014年的《生物力学》）指出：蚂蚁可以承受自身5000倍的质量。

2、蚂蚁的承力结构——脖子关节分析

蚂蚁是一种外骨骼生物。主要的承力结构就是蚂蚁的外层了。蚂蚁的六条腿。其中后面4条腿是用来行走的。前面2条腿可以用来举物。它的大夹嘴也可以用来咬物。对于一些并不是很重的物体。蚂蚁可以用前爪举起。对于一些较重的物体。蚂蚁可以用嘴咬住。

上图是蚂蚁用嘴咬住重物的样子。受力图见右。用嘴巴咬住重物。蚂蚁的脖子将会受到较大的弯矩左右。为了降低这个弯矩。蚂蚁会抬起头。缩短重物重心与脖子的距离。此时。蚂蚁的关节起到了非常好的承力左右。特别是外骨骼。我们取蚂蚁脖子关节作为研究对象。图中蓝色圆形。蚂蚁头部及重物的力向下。红色箭头。为了平衡掉此力。关节处必须有对应的力。而且关节较细。距离矩心更接近。意味着关节处的力更大。但是由于外骨骼的存在。关节处的力对于此处的外骨骼是压力。并且能分散开来。这就降低了应力。提升了承载能力。

3、蚂蚁的承力结构——前爪分析

当蚂蚁利用前爪举重的时候。我们可以看到前爪几乎是竖直方向的。这就大大降低了弯矩对关节的作用。使得前爪主要承受重力造成的向下的压力作用。下图为蚂蚁整体的受力图。

由于前爪举起。几乎是竖直方向。我们以前爪之一为对象。如下图。实际上。此时前爪就是一根受压的杆。强大的外骨骼承受了绝大部分载荷。

4、蚂蚁的外骨骼

通过上述分析。我们知道蚂蚁的外骨骼非常重要。是蚂蚁能够承受巨大外力的关键。外骨骼的主要成分是几丁质和蛋白。这种外骨骼类似于人体的骨骼。具有较强的承载能力。由于蚂蚁实在太小。无法对蚂蚁的外骨骼进行力学测试。这也是一大遗憾。希望以后能有机会弥补。

5、总结

蚂蚁的承载能力绝非400倍体重。而是高达5000倍。其优越的承载能力得益于蚂蚁的外骨骼的优越的力学性能。此外。蚂蚁举重。外骨骼基本承受的都是压力。更加提升了其承载能力。

其他观点：

蚂蚁的这个特性引起许多人的研究。例如下面的摄影照片来自剑桥大学。很好展示了蚂蚁怎么采用一些技巧举起自身重量100倍的东西。当它们的负载很轻时。它们可以折叠它们的脚以减少表面接触。降低它们的粘附力并允许它们自由移动。但是当蚂蚁面对如下图中比较重的有效载荷时。它们可以展开那些脚。来得到更多的表面张力。

另外。这里面隐含一个简单的几何原理。蚂蚁的肌肉功能与我们自己的功能非常相似。其收缩力来自肌肉外部的纤维。就肌肉而言。“体积”代表质量。体积按立方函数变化。面积按平方函数变化。例如10毫米的长度。面积600平方毫米。体积1000立方毫米。面积与体积比了1：0.6。当长度增加100倍增加到1000毫米。面积与体积比变化为1：0.006。这意味着。随着身体变小。相对于自己的体重变得更强壮。换句话说。当你缩小蚂蚁身体的时候。你也能举起这么悬殊比例的重量。

当然科学家不满足于研究蚂蚁能够举起多重的东西。还研究蚂蚁的关节能够承受多大的力。他们将蚂蚁放入冰箱中麻醉。然后将它们面朝下粘在一个专门设计的离心机中。以测量使颈部变形并最终使头部从身体上破裂所需的力。蚂蚁的脖子在平均体重的3,400-5,000倍的力量下破裂。这说明蚂蚁身体结构也非常神奇。

为什么要研究蚂蚁这些特性呢？毕竟有些手段还蛮残忍的。这其实是仿生学的一部分。借鉴蚂蚁的特性。希望将来能制造出类似的机器人。达到蚂蚁这种神奇效果。

科学视野。不同解读。欢迎评论和关注！

其他观点：

感谢题主提出的问题。

事实上是。蚂蚁这种小昆虫的力量并不大。作为一种昆虫。蚂蚁的肌肉素质是无法与哺乳动物相比的。如果将人类收缩到蚂蚁的体型,人类可以举起自身更多倍的重量。

小伙伴们跟随着老郭的思路。做一个假想实验。实验过程如下：

现在让我们幻想一下。我们拥有了《爱丽丝漫游奇境记》里面那种神奇的水和蘑菇。能让身体自由的变大变小。

一、我们找来一个可以举起自己体重三倍的举重运动员。给他服下一口神水。让他缩小到原来身高的10%。这个时候。他的肌肉横断面即力量变为原来的1%。他的体重会变为原来的1‰。这个时候我们看到。这个运动员可以举起自身三十倍的重量。

二、嘿嘿。我们继续给这个运动员喝神水。让他继续变小为原来的1%。这个时候他可以举起自身三百倍的重量。

惊不惊喜？意不意外？其实蚂蚁这种小动物。它们的身体结构是以速度换力量的一种液压结构。以我们人类今天的工程力学是很容易理解的。各种千斤顶已经给我们展示了这个道理。为了提供足够的支撑力。我们的手得进行更大行程的压动。

所以。小蚂蚁就是小蚂蚁。它们其实很柔弱。但作为生物圈上重要的一环。我们还是需要对它们进行保护。爱护这个地球。你、我都有责任。欢迎关注老郭。我在科学话题里面等你呦。

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