啄木鳥每天啄木頭，為什麼頭不會受傷？
― 牠的頭並沒有吸收衝擊
啄木鳥用喙敲擊樹幹，一天要重複好幾千次。如果人用同樣的力道把頭撞向牆壁,絕對吃不消。長久以來的說法是「頭骨像緩衝墊一樣吸收衝擊」。但用高速攝影一驗證,發現頭幾乎沒有吸收衝擊。牠們沒事的原因,其實在完全不同的地方。
走在林間,不知從哪傳來「叩叩叩叩」的乾脆聲響。抬頭一看,一隻小鳥垂直停在樹幹上,前後甩動著頭,敲打著樹木。
那速度,跟用手指敲桌子完全不能比。節奏幾乎像電動工具。牠能持續好幾秒,然後又換個地方繼續敲。
那樣的力道,腦袋真的沒問題嗎?我們光是頭輕輕撞到柱子,都會暈上好一陣子。
原因主要有兩個
如果頭吸收了衝擊,敲打的力道也會同樣被吸走,傳不到樹上。啄木鳥把喙和頭當成幾乎一體的堅硬槌子使用,把力量完整傳給樹木。
同樣是急停,內容物越重,受到的力就越大。啄木鳥的腦大約只有人腦的千分之一重,受到的力也相應地小得多。
讓我們依序看下去。第一點,是一個長年被相信的說法後來被推翻的故事。
「頭部緩衝墊吸收衝擊」的說法,其實是錯的
啄木鳥的頭部,有一條支撐舌頭的細長骨頭,像纏繞般環繞著整個頭部。骨頭內部也有像海綿一樣多孔的部分。長久以來,教科書和電視節目都說這些構造扮演著吸收衝擊的彈簧角色。
2022年,有研究用高速攝影機拍下三種啄木鳥,逐格測量牠們的動作。如果頭真的是彈簧,喙停下來之後,頭應該會稍微延遲、被壓縮。但實際上,喙和頭幾乎以相同的速度一起減速。幾乎找不到彈簧般的彎曲變形。
細想之下,這也是理所當然的。如果在敲釘子時中間夾一個彈簧,力量會被彈簧吸走,釘子根本敲不進去。會吸收衝擊的頭,作為敲擊樹木的工具是不合格的。圖1左邊是實際的啄木鳥,右邊是假設頭真的是彈簧的話會發生什麼事。
那麼,為什麼腦不會受傷?
答案的很大一部分是「因為小」。急停的瞬間,內容物受到的力與其重量成正比。即使受到同樣的衝擊,較輕的腦所受的力也較小。
啄木鳥的腦大約2公克,人腦大約1400公克。重量差距約700倍。也就是說,在同樣的急停下,人腦會受到700倍的力向內擠壓。圖2用長條的長度表示這個差距。
發揮作用的不只是重量。碰撞時間非常短,而且敲擊方向幾乎呈一直線、頭不會扭轉,這些也有幫助。人腦容易受傷,據說更多是因為頭部被扭轉旋轉,而不是單純的直線碰撞。
2022年的研究估計,如果用同樣的敲擊方式,但啄木鳥的頭是現在的兩倍大,腦部所受的力就會進入危險範圍。體型大的鳥無法靠啄木維生,不是體力問題,而是體型大小的問題。
總結
啄木鳥的頭並不是吸收衝擊的緩衝墊。它作為不流失力量的堅硬槌子發揮作用,再加上腦又小又輕、碰撞時間短、頭不會扭轉,這些因素加在一起,才讓牠們不致受傷。可以說,牠們選擇的不是打造強壯的身體,而是一種「維持小巧卻依然堅固」的構造。
保護牠們的,不是柔軟。
小巧本身,就是防具。
小巧本身就是優勢的故事,也出現在為什麼螞蟻能舉起自己體重幾十倍的東西？,以及探討下落速度上限的為什麼貓從高處掉下來也沒事？之中。
- 把釘子輕輕插在木板上立好,用鎚子照平常方式敲幾下,記住釘子前進的程度。
- 接著在鎚頭和釘子之間夾一塊厚橡皮擦,用相同力道敲擊。
- 比較手上感受到的反饋,以及釘子前進的程度。夾了橡皮擦之後,釘子應該幾乎不會前進。
緩衝墊在緩和衝擊的同時,也減少了傳給對方的力量。透過手的感覺,就能明白啄木鳥為什麼不把頭當成緩衝墊。為避免敲到手指,請用工具而不是手指扶住釘子。
想知道更多 ― 術語、公式與教科書的連結從國中理科到大學專業科目,標明各段內容屬於哪個程度
- 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＋高中進階內容,或教科書專欄介紹的內容
- 大學高中不會教,屬於大學專業科目（生物力學）的內容
- 研究中連大學也不當作「定論」教授,研究人員仍在調查中的內容
國中術語：這個現象是有名字的
- 減速度：每秒速度減少的量。常以重力落下時速度增加的量為基準,表示為它的幾倍。
- 慣性：運動中的物體,傾向繼續維持原本運動狀態的性質。頭骨停下來後,內容物仍想繼續前進,就是這個原因。
- 舌骨器：支撐舌頭的一連串骨頭。在啄木鳥身上,這條骨頭延伸得很長,纏繞著整個頭部。學界認為它不是彈簧,而是用來伸縮長舌頭的裝置。
國中高中用公式驗證：腦部承受的力有多大?
從喙撞到樹木、停止所花的時間,可以算出減速度,再由此計算出腦部所受的力。用到的只有「力＝重量×減速度」這一個公式。這些數值,只是用來理解機制的粗略估算。
| 碰撞前瞬間喙的速度 | 每秒 6 公尺 |
| 碰撞到停止所花的時間 | 0.0006 秒（0.6毫秒） |
| 啄木鳥腦的重量 | 0.002 公斤 |
| 人腦的重量 | 1.4 公斤 |
| 減速度（每秒每秒 公尺） | 6 ÷ 0.0006 ＝ 10000 |
| 是重力的幾倍（重力為 9.8） | 10000 ÷ 9.8 ≒ 1020 |
| 啄木鳥腦部承受的力（牛頓） | 0.002 × 10000 ＝ 20 |
| 若人腦承受相同減速度（牛頓） | 1.4 × 10000 ＝ 14000 |
| 力的比值（幾倍） | 14000 ÷ 20 ＝ 700 |
啄木鳥腦部承受的20牛頓,大約相當於支撐2公斤重物的力道。同樣條件下人腦承受的14000牛頓,則相當於1.4噸重。體型大小的差距,直接變成了安全程度的差距。
高中高中＋為什麼「不吸收」反而有利?
高中碰撞過程中能傳給對方的量,是力與時間的乘積（力的衝量）。如果頭以彈簧方式彎曲,彎曲會消耗掉一部分功,用來削鑿樹幹的部分就變少了。槌子越堅硬,就越能把原本的運動能量用於破壞木頭。
高中＋頭骨會有些微彎曲變形,這一點本身並未被否定。只是測量結果顯示,彎曲所吸收的量在整體中占比極小,作為衝擊對策幾乎沒有作用。海綿狀骨頭的作用,一般認為是兼顧輕量與強度。
大學決定是否受傷的,不是加速度本身
頭部受傷的機率,並非只由加速度的最大值決定。評估時要看的是「多大的力持續了多久」。此外,讓腦部扭轉的旋轉加速度,與損傷的關聯更直接。啄木鳥的敲擊,持續時間短於1毫秒,而且橫向搖晃被抑制得很小。即使最大值相同,內容也和人類的交通事故衝擊不一樣。
研究中目前尚未明確的事
- 長期影響。 即使單次撞擊能夠承受,一生中累積數百萬次的敲擊,是否真的對腦部完全沒有留下任何痕跡,目前尚無結論。也有報告指出在腦內觀察到蛋白質堆積。
- 骨骼與頸部各自的貢獻。 堅硬度、輕量化、頸部肌肉的作用,各自的貢獻比例很難拆分,目前仍在透過模型與實測持續研究。
- 應用到安全帽上。 模仿啄木鳥設計防護裝備的話題一直很受歡迎,但既然已經知道牠們「並非靠吸收」,就必須重新思考該模仿的到底是什麼。
也就是說,本文的內容也是「目前所知範圍內的說明」。長年的通說僅憑一次高速攝影就被推翻,這說明了重新驗證的重要性。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・力的作用／慣性 | 骨頭停止後內容物仍想前進的說明 |
| 高中 | 物理基礎・運動定律／力的衝量與動量 | 用公式驗證,堅硬槌子較有利的原因 |
| 高中＋ | 物理・碰撞與能量 | 彎曲變形消耗功的說明 |
| 大學 | 生物力學・損傷評估 | 持續時間與旋轉決定損傷的說明 |
| 研究中 | 功能形態學・神經病理學 | 一生累積的撞擊在腦中留下的痕跡 |
| ― | 與生活的連結 | 用鎚子和橡皮擦驗證的「吸收就敲不進去」 |
- Van Wassenbergh 等「Woodpeckers minimize cranial absorption of shocks」Current Biology, 2022（以高速攝影進行的測量）
- Wang 等「Why do woodpeckers resist head impact injury: a biomechanical investigation」PLoS ONE, 2011（頭部構造的力學檢討）
- Farah 等「Tau accumulations in the brains of woodpeckers」PLoS ONE, 2018（腦內蛋白質堆積的報告）
- 日本鳥學會編《鳥類學事典》(日本鳥学会編『鳥類学事典』)（啄木鳥類覓食行為與舌骨器的相關記述）
※本文為一般讀者取向的科學解說。文中數值為理解機制所用的粗略估算。進行觀察或動手實作時,請務必小心避免受傷,並依照說明書及所屬機構或學校的指示使用工具。