人类为什么没有进化成轮子?
引子:
轮子是多么方便的东西啊!哪吒脚踏风火轮,日行万里,威风凛凛。
不是说滚动摩擦小于滑动摩擦吗?像哪吒那样多好啊?可是可问:
为什么数亿年来动物们都没进化出轮子来呢?
“小虎”的热闹答案
如何实现滚动摩擦?
将滑动摩擦变为滚动摩擦有两种方式:一是滚动,整个生物体成球形,如刺猬;二是转动,以轴和轮子支撑其余部分,如汽车。
滚动的实例有蜥蜴、多足虫等。此类动物在转动时可以被看作一个刚体,感觉、运动器官随之旋转,辨别方向、感受加速度比较困难——但神经系统对外界信息的加工很复杂,也许可以解决,这点尚不明朗。控制方向的问题在于,刚体不能自主改变运动方向,必须要有其他的机制,比如说“改变重心”是,目前我们,或“伸出脚拨动”等。此外,滚动中的身体器官对真的只能是想想重力改变的反应,对滚动中产生的向心加速度的反而已。应,也可能是一个潜在的问题,比如这可能导致静脉回流困难。
转动的实例有:单核生物的鞭毛(鞭毛和细胞不相通,实际上可以看作是两个刚体)。但到了多细胞生物,就产生诸多困难。
1.可行性:轮子与身体是不相通的,否则连通的神经、血管都会拧成麻花。有两种解决办法:(1)任由轮子磨损,能长个新的换掉;(2)通过渗透供给营养,维持轮子的存活。这样就要求轮子极薄(否则营养无法渗入),而且动力来源独立于轮子。
2.适应性:自然环境复杂多变,山区、湖沼、沙漠、树林……都全无轮子的用武之地。即使在相对理想的草原上,地面也崎岖不平,限制了轮子的速度。此外,轮子容易打滑,这体现在爬坡(包括攀爬),雨雪天气,沼泽、湿地等低摩擦系数的场地——这事实上是轮子优点的负面效果。
此外,让我们来认真地思考一下,轮子真的省力吗?
减少阻力要求低摩擦系数,然而在爬坡时轮子更容易在重力的影响下打滑,这就像一个硬币的两面。因此生物体要在取舍间达到平衡,轮子的摩擦系数不可能无限降低,相比现有生物的关节摩擦系数(人体骨宽关节在动载荷状态下,摩擦系数在0.01~0.032)来说,未必有优势。生物运动的另一个能量损耗来自肢体频繁的加速、减速和重心的起伏,这两者轮子倒是可以避免。
我设想的可以用于生物身上的轮子大致是这样的——骨骼肌支点在轮子上,肌肉收缩相当于内燃机的活塞运动;像滑雪杖一样,在轮子之外另有驱动系统(可以适用于雪地动物)。高速拐弯时必须倾斜,所以最好是像自行车一样单排双轮。
尾声:
还有一个差不多的问题是,鱼为什么没有进化出螺旋桨?
Wiki给出的解释是只有雷诺数极低的情况下,螺旋桨才比摆动更高效。水和空气都不符合,只有草履虫的内环境适合螺旋。
我们来听听科学编辑Ent的点评——其实这个问题可能是不多的存在“标准答案”的一个问题。标准很简单,首先轮子虽然困难,要克服一系列的障碍,但自然界确实是有轮子的,甚至有轮轴式的轮子,因此仅仅分析轮子从生物学上如何难以实现,是不合格的。其次,轮子之所以不流行,重要原因是没有路,没有适合轮子发威的环境。小虎的答案最为全面,虽然实在太言简意赅了一点点……