同樣重的東西，離身體越遠拿越吃力，為什麼？
― 腰部的骨頭，要承受物品重量好幾倍的力
把紙箱緊貼著胸口搬運，還撐得住；一伸直手臂拿，沒幾步就受不了。重量明明連 1 公克都沒變，變的是腰部骨頭承受的力。這個力，是物品本身重量的好幾倍。
搬家的日子。你把裝滿書的箱子用力貼近身體抱著。雖然很重，但還是能搬到房間另一頭。
可是，如果要從櫃子深處把同一個箱子拿出來呢？手臂往前伸直的姿勢，一提起來就會忍不住「嗚」地叫出聲。
我們常以為是手臂在吃力。但隔天早上痛的，通常不是手臂，而是腰。
原因大致有 2 個
背部肌肉拉住脊椎的位置，離腰部關節只有短短幾公分；而物品卻在幾十公分之外。用短的力臂去對抗長的力臂，肌肉就得使出物品重量好幾倍的力。
肌肉是沿著脊椎縱向分布的。肌肉拉得越用力，脊椎從上下兩端被夾緊的程度就越像老虎鉗。物品的重量，再加上肌肉使出的全部力量，通通疊加在一起。
也就是說，離身體遠時會吃力，不是因為「手臂太弱」，而是因為以腰部關節為支點的槓桿，一下子變成了很吃虧的形狀。我們一步一步來看。
腰是一個非常吃虧的槓桿
從側面看彎腰拿東西的姿勢。把腰部的骨頭當作支點，身體就是一根標準的槓桿。請看圖 1。物品掛在離支點約 40 公分遠的地方，上半身本身的重量則作用在約 25 公分遠的位置。兩者都想把身體往前壓倒。
擋住它們的，是沿著背部縱向分布的肌肉。可是這條肌肉拉住骨頭的位置，離支點只有約 5 公分。用蹺蹺板來比喻，就是對方坐在最邊緣，而你坐在緊靠支點的地方。要讓兩邊平衡，就需要與力臂長度比值相當的大力氣。
脊椎被上下夾緊了
接下來，就是身體這部機器辛苦的地方。背部肌肉是沿著脊椎縱向附著的，所以肌肉一用力拉，這股力就直接變成把脊椎縱向壓縮的力。為了撐住物品而使出的大力氣，無處可逃，全都累積在骨頭與骨頭之間。
骨頭與骨頭之間，夾著一種柔軟的圓盤，叫作椎間盤。如同後面的計算所示，伸直手臂拿 20 公斤的東西時，這個圓盤承受的力大約是體重的 6 倍。如果把東西貼近身體拿，同樣的物品可以減輕約三成。
彎曲膝蓋本身並沒有什麼魔法。用膝蓋施力，可以讓背挺直、身體靠近物品，結果就是物品與腰之間的距離變短。真正有用的不是姿勢的樣子，而是距離。反過來說，就算彎了膝蓋，只要物品仍離身體很遠，腰部承受的力並不會減少太多。
人抱著重物時，會不自覺地把上半身往後仰。這樣一來，重心就靠近支點的正上方，力臂也縮短了。身體不用計算，就會選擇讓槓桿變得有利的姿勢。
總結
把東西拿離身體，以腰為支點的槓桿力臂會一下子變長。而支撐它的肌肉力臂仍只有幾公分，肌肉只好使出好幾倍的力。接著，這股力會原封不動變成壓縮脊椎的力。只要距離改變幾十公分，體內承受的力就會以一百公斤為單位改變。
決定重量感的，不是物品本身。
而是物品與腰之間，那幾十公分的距離。
脊椎之間的圓盤在一天之中會如何變化，請看 早晚的身高可以差到 1 公分，為什麼？；骨頭本身不斷被重新塑造的故事，請看 骨頭為什麼每隔幾年就會重新塑造一次？。
- 準備 1 瓶 2 公升的水。雙手拿著，緊貼胸口站 30 秒。
- 接著，把同一瓶水伸直手臂往前拿，站 30 秒。你會發現吃力的速度差很多。
- 最後，維持手臂伸直，把上半身稍微往後仰一點。如果覺得輕鬆了，就證明力臂變短了。
腰部有不適的人，請只做 1 和 3。有效的不是重量而是距離，這一點用輕的瓶子也能充分感受到。
想知道更多的人 ― 術語・算式・與課本的連結從國中理化到大學專業課程，明確標示是哪個程度的內容
- 國中國中理化學到的範圍
- 高中高中「物理基礎・物理」學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（生物力學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」來教、目前研究者仍在探究的內容
國中術語：這個現象是有名字的
- 力矩：使物體轉動的作用大小。以力的大小乘以支點到力的距離來表示。就是槓桿的效果本身。
- 力臂：從支點到力作用點的距離。以腰來說，物品的力臂是幾十公分，背部肌肉的力臂是幾公分。
- 椎間盤：位於脊椎骨與骨之間、呈圓盤狀的柔軟組織。承受來自上下的力，並以內部壓力來支撐。
國中高中用算式確認：脊椎承受了多少公斤的力
彎腰拿 20 公斤的物品時，來算算腰部骨頭承受的力本身。假設體重為 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 ＝ 物品的重量 × 到物品的力臂 ＋ 上半身的重量 × 到上半身重心的力臂 |
| 這個算式的來源 | 這是以腰部關節為支點的力矩平衡。當身體沒有往前倒、保持靜止時，想使它倒下的作用與想使它起來的作用相等。脊椎承受的力，再用 P ＝ F ＋ W1 ＋ W2 求得。 |
| 物品的重量 W1 | 相當於 20kg，換成力約 200N（符號 N 是力的單位） |
| 上半身的重量 W2 | 約為體重一半的 30kg，換成力約 300N |
| 到物品的力臂 b | 0.40m（伸直手臂彎腰時） |
| 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） |
| 物品想使身體倒下的作用 | 200 × 0.40 ＝ 80 |
| 上半身想使身體倒下的作用 | 300 × 0.25 ＝ 75 |
| 想使身體倒下的作用合計 | 80 ＋ 75 ＝ 155 |
| 達到平衡所需的肌肉力 F | 155 ÷ 0.05 ＝ 3100 |
| 從上方壓下來的重量合計 | 200 ＋ 300 ＝ 500 |
| 壓縮脊椎的力 P | 3100 ＋ 500 ＝ 3600 |
| 換算成重量 | 3600 ÷ 9.8 ≒ 367 |
| 是體重的幾倍 | 367 ÷ 60 ≒ 6.1 |
脊椎之間大約承受了 367 公斤的力，約是體重的 6 倍。用同樣的算法，把物品拉近身體到 0.15m，結果如下。
| 物品想使身體倒下的作用 | 200 × 0.15 ＝ 30 |
| 想使身體倒下的作用合計 | 30 ＋ 75 ＝ 105 |
| 所需的肌肉力 | 105 ÷ 0.05 ＝ 2100 |
| 壓縮脊椎的力 | 2100 ＋ 500 ＝ 2600 |
| 換算成重量 | 2600 ÷ 9.8 ≒ 265 |
只是把物品拉近 25 公分，脊椎承受的力就減少了 100 公斤。可見有效的不是臂力或毅力，而是距離。另外，這是把身體當成一根棒子的非常粗略的估算。實際的身體，腹肌和腹腔內的壓力等也會加入支撐。
高中高中＋為什麼人體要用這麼吃虧的槓桿
高中在物理中，這是當作繞支點的力矩平衡來處理。這個腰部的槓桿，是力點與作用點在支點同一側的第 3 類槓桿，在力的方面一定會吃虧。作為交換，肌肉只要稍微縮短，就能讓手部大幅度且快速地移動。
高中＋人的手臂和腿，大部分都是由這種第 3 類槓桿組成的。這等於是用力的大小，去換取速度與活動範圍。不是只有腰是例外，全身都在做同樣的交易。
大學椎間盤內壓的測量與肌肉骨骼模型
在生物力學中，這個力一直是以椎間盤內壓來實際測量的。1960 年代以後，有研究把細針刺入椎間盤來測量壓力，結果顯示彎腰時的壓力遠高於站姿。現在一般的做法，是對包含多條肌肉的肌肉骨骼模型應用逆動力學，來推估腰椎承受的壓縮力與剪力。像上面的計算那樣把肌肉當作 1 條，可能會把力估得比實際大，也可能估得比實際小，所以會把它當作求解多條肌肉如何分擔的肌力分配問題來處理。
📖 算式的推導，以及更進一步的內容：力矩（維基百科日文版） ／ 椎間盤（維基百科日文版）
研究目前還不清楚的事
- 力的大小與疼痛並不一致。腰椎承受的力越大，不一定就越會痛；影像檢查發現異常，卻沒有疼痛的人也很多。仍有一部分無法單靠力學來解釋。
- 腹腔內壓力的作用尚未確定。一般認為把腹部繃緊會提高腹腔內的壓力、減輕脊椎的負擔，但效果究竟有多大，各項研究得出的數值並不一致。
- 「正確的抬舉方式」的效果也還在討論中。有報告指出，即使指導人們彎曲膝蓋抬舉，也不能斷言腰部不適就會減少，因此正在探討光靠姿勢指導是否足夠。
也就是說，這篇文章的內容，也只是「就目前已知範圍的說明」。槓桿平衡是確定的，但它是否能直接和身體的不適連結起來，目前還不清楚。
與課本的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・槓桿的作用 | 支點、力點、作用點，與力臂長度的比 |
| 高中 | 物理基礎・力矩與平衡 | 「用算式確認」的⓪與② |
| 高中＋ | 物理・剛體的平衡 | 第 3 類槓桿在力上吃虧的原因 |
| 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 | 力的大小與疼痛不一致的問題 |
| ― | 與生活的連結 | 把東西貼近身體拿，腰部承受的力可減少約三成 |
- Ministry of Health, Labour and Welfare (厚生労働省)「職場における腰痛予防対策指針」（指出搬運重物時應盡量靠近身體等原則的指針）
- Nachemson, A. "The load on lumbar disks in different positions of the body", Clinical Orthopaedics and Related Research, 1966（各種姿勢下椎間盤內壓的實測）
- Japanese Orthopaedic Association and Japanese Society for the Study of Low Back Pain (日本整形外科学会・日本腰痛学会) 編「腰痛診療ガイドライン」（整理腰痛的原因與影像所見之間的關係）
- 力矩（維基百科日文版）
※本文是為一般讀者所寫的科學解說。文中的數值是為了理解原理而給的參考值與概算。如果腰部疼痛或麻木持續不退，請不要自行判斷，務必就醫諮詢。