同樣重量的行李，離身體越遠拿起來卻突然變得吃力，這是為什麼？
― 腰椎上承受的力量，是行李的好幾倍
把紙箱緊貼在胸前搬運不覺得辛苦，但伸直手臂拿著，走沒幾步就會受不了。重量一克都沒變，變的是腰椎上承受的力量。那股力量，可能是行李本身的好幾倍。
搬家那天。把裝滿書的箱子緊緊抱在身前，雖然重，還是能搬到房間的另一頭。
但如果是從架子深處取出同一個箱子呢？手臂向前伸直的姿勢，一抬起來就會忍不住「唉呦」一聲。
大家常以為是手臂在吃力，但隔天早上痛的地方，通常不是手臂，而是腰。
原因主要有兩個
背部肌肉拉住脊椎的位置，離腰部關節只有短短幾公分。相對地，行李卻在幾十公分之外。用短的力臂對抗長的力臂，肌肉就得出好幾倍於行李重量的力。
肌肉沿著脊椎縱向延伸。肌肉拉得越用力，脊椎就像被老虎鉗從上下夾緊一樣。行李的重量，會整個加上肌肉出的力。
換句話說，離身體越遠拿越吃力，並不是因為「手臂太弱」。而是因為以腰部關節為支點的槓桿，突然變成非常不利的形狀。接下來依序看看。
腰部，是非常吃虧的槓桿
從側面看看前傾拿行李的姿勢。把腰椎當作支點來看，身體本身就是一根槓桿。請看圖1。行李懸掛在離支點約40公分處，上半身本身的重量也作用在約25公分處。兩者都想把身體往前拉倒。
而阻止這件事的，是沿著背部縱向延伸的肌肉。可是這條肌肉拉住骨頭的位置，離支點卻只有約5公分。用蹺蹺板來比喻，對方坐在最遠端，而自己卻坐在支點正旁邊。要達到平衡，就需要用力臂長度比例所對應的更大力量。
脊椎正被上下擠壓
接下來是身體這部「機器」吃虧的地方。背部肌肉沿脊椎縱向附著，肌肉一用力拉，那股力量就會直接變成縱向擠壓脊椎的力量。為了撐住行李所出的巨大力量，無處可逃，全部堆積在骨頭與骨頭之間。
骨頭與骨頭之間，夾著一片柔軟的圓盤，稱為椎間盤。正如稍後的計算所示，伸直手臂拿20公斤的行李時，這片圓盤估計會承受約體重6倍的力量。若把行李拉近身體，同樣的行李重量可以減輕約三成。
彎膝蓋這個動作本身並沒有魔法。用膝蓋的力量，可以讓背部保持挺直的同時靠近行李，結果就是縮短了行李與腰部的距離。真正起作用的不是姿勢的形狀，而是距離。反過來說，就算彎了膝蓋，只要行李仍離身體很遠，腰部承受的力量也不會減少多少。
人抱起重物時，會不自覺地把上半身往後仰。這樣一來，重心會更靠近支點正上方，力臂就變短了。身體不需要計算，就會自然選擇讓槓桿變得有利的姿勢。
總結
把行李拿離身體，以腰部為支點的槓桿力臂就會一口氣變長。而支撐它的肌肉力臂仍然只有幾公分，肌肉只能出好幾倍的力。而這股力量，會原封不動地變成擠壓脊椎的力量。距離只變化幾十公分，身體內部承受的力量卻會以百公斤為單位變化。
決定重量的，不是行李本身。
而是行李與腰部之間，那幾十公分的距離。
關於脊椎之間的圓盤在一天之中如何變化，寫在 早晨和晚上身高差了1公分，這是為什麼？ 這篇；骨頭本身不斷被重新打造的故事，則寫在 骨頭為什麼每隔幾年就會被重新打造？ 這篇。
- 準備一瓶2公升的水。雙手拿著，緊貼胸前站立30秒。
- 接著，把同一瓶水手臂向前伸直拿著，站立30秒。應該會感覺到吃力的速度完全不同。
- 最後，保持手臂伸直，上半身稍微向後仰一點。如果變輕鬆了，就是力臂變短的證據。
腰部有疑慮的人，請只做步驟1和3。即使用較輕的水瓶，也足以體會起作用的是距離而不是重量。
想知道更多 ― 用語、公式，與教科書的連結從國中理科到大學專業科目，會明確標示是哪個程度的內容
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「物理基礎・物理」課程範圍
- 高中＋高中的延伸內容，或教科書專欄性質的內容
- 大學高中不教、屬於大學專業科目（生物力學）的內容
- 研究連大學都還不當作「定論」教授、研究者正在調查中的內容
國中用語：這個現象是有名稱的
- 力矩：使物體轉動的作用大小。用力的大小乘以支點到力的作用線之間的距離來表示。這正是槓桿的效果本身。
- 槓桿力臂：支點到力作用點之間的距離。以腰部而言，行李的力臂有幾十公分，背部肌肉的力臂只有幾公分。
- 椎間盤：脊椎骨與骨之間呈圓盤狀的柔軟組織。承受上下方向的力，並以內部壓力來支撐。
國中高中用公式驗證：脊椎承受了多少公斤的力
算出前傾拿20公斤行李時，腰椎所承受的力量本身。假設是一位體重60公斤的人。
| 用符號寫 | F × a ＝ W1 × b ＋ W2 × c |
| 用文字寫 | 肌肉的力 × 肌肉的力臂 ＝ 行李重量 × 到行李的力臂 ＋ 上半身重量 × 到上半身重心的力臂 |
| 這公式從何而來 | 以腰部關節為支點的力矩平衡。當身體不會往前倒、保持靜止時，想把它拉倒的作用與想把它撐起的作用相等。脊椎所承受的力，再用 P ＝ F ＋ W1 ＋ W2 求出。 |
| 行李重量 W1 | 20kg，換算成力約為 200N（符號N是力的單位） |
| 上半身重量 W2 | 約為體重一半的 30kg，換算成力約為 300N |
| 到行李的力臂 b | 0.40m（手臂伸直前傾時） |
| 到上半身重心的力臂 c | 0.25m |
| 背部肌肉的力臂 a | 0.05m（只有幾公分） |
| 行李讓身體前倒的作用 | 200 × 0.40 ＝ 80 |
| 上半身讓身體前倒的作用 | 300 × 0.25 ＝ 75 |
| 前倒作用的合計 | 80 ＋ 75 ＝ 155 |
| 維持平衡所需的肌肉力 F | 155 ÷ 0.05 ＝ 3100 |
| 從上方施加的重量合計 | 200 ＋ 300 ＝ 500 |
| 擠壓脊椎的力 P | 3100 ＋ 500 ＝ 3600 |
| 換算成重量 | 3600 ÷ 9.8 ≒ 367 |
| 是體重的幾倍 | 367 ÷ 60 ≒ 6.1 |
脊椎之間估計承受了約367公斤的力，約為體重的6倍。用同樣的計算，若把行李拉近身體到0.15m，結果如下。
| 行李讓身體前倒的作用 | 200 × 0.15 ＝ 30 |
| 前倒作用的合計 | 30 ＋ 75 ＝ 105 |
| 所需的肌肉力 | 105 ÷ 0.05 ＝ 2100 |
| 擠壓脊椎的力 | 2100 ＋ 500 ＝ 2600 |
| 換算成重量 | 2600 ÷ 9.8 ≒ 265 |
只把行李拉近25公分，脊椎承受的力就減少了100公斤。可見起作用的不是手臂力氣或毅力，而是距離。另外，這只是把身體視為一根棒子的粗略估算。實際身體中，腹肌與腹內壓等也會一起參與支撐。
高中高中＋為什麼人的身體要用這麼吃虧的槓桿
高中物理中，這是以支點周圍力矩的平衡來處理。腰部的這個槓桿，屬於支點兩側力點與作用點在同一側的第三類槓桿，在力量上必然吃虧。以吃虧為代價，換來的是肌肉只需稍微縮短，就能讓手部大幅且快速地移動。
高中＋人的手臂和腿大部分都是這種第三類槓桿。為了換取速度和活動範圍，付出的代價就是力量的大小。腰部並非例外，全身都在進行同樣的交易。
大學椎間盤內壓的測量與肌肉骨骼模型
在生物力學中，這股力量一直以椎間盤內壓的方式實際測量。自1960年代起，研究者將細針刺入椎間盤測量壓力，結果顯示前傾姿勢的壓力遠高於站立姿勢。目前普遍的方法，是將含有多條肌肉的肌肉骨骼模型套用逆動力學，推估腰椎所承受的壓縮力與剪力。如上述計算般把肌肉視為單一一條，可能會高估或低估實際的力量，因此會被當作求解多條肌肉分擔比例的肌力分配問題來處理。
📖 公式的推導與更進一步的內容：力矩（日文版維基百科） ／ 椎間盤（日文版維基百科）
研究目前還不清楚的事
- 力量大小與疼痛不一定一致。 腰椎承受的力量越大，不代表疼痛就一定越明顯；影像上發現異常卻沒有疼痛的人也不少。光靠力學無法解釋的部分依然存在。
- 腹內壓的效果尚未確定。 收緊腹部會提高腹內壓，一般認為能減輕脊椎的負擔，但效果多大，各研究的數值並不一致。
- 「正確的搬運方式」的效果也仍在討論中。 有報告指出，即使指導彎膝蓋的搬運方法，也不能斷言腰部不適就會減少，是否只靠姿勢指導就足夠，目前仍在檢討。
也就是說，這篇文章的內容也是「目前已知範圍內的說明」。槓桿的平衡雖然確實存在，但它是否直接導致身體的不適，目前仍不清楚。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・槓桿的作用 | 支點、力點、作用點與力臂長度的比例 |
| 高中 | 物理基礎・力矩與平衡 | 「用公式驗證」的⓪和② |
| 高中＋ | 物理・剛體的平衡 | 第三類槓桿在力量上吃虧的原因 |
| 大學 | 生物力學・骨科學 | 椎間盤內壓的測量與肌肉骨骼模型 |
| 研究 | 腰痛的流行病學・人因工程學 | 力量大小與疼痛不一致的問題 |
| ― | 與生活的連結 | 把行李拉近身體拿，腰部承受的力量可減少約三成 |
- 日本厚生勞動省「職場における腰痛予防対策指針（森林総合研究所）」（職場腰痛預防對策指引，內容說明應將重物靠近身體搬運等原則）
- Nachemson, A. "The load on lumbar disks in different positions of the body", Clinical Orthopaedics and Related Research, 1966（不同姿勢下椎間盤內壓的實測研究）
- 日本骨科學會・日本腰痛學會 編「腰痛診療ガイドライン」（腰痛診療指引，整理腰痛成因與影像所見之間的關係）
- 力矩（日文版維基百科）
※本文為大眾科學解說文章。文中數值為理解機制用的參考、概算值。若腰部疼痛或麻木持續，請勿自行判斷，應諮詢醫療機構。