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奥运猜想:100米短跑人类能闯进9秒吗?

[日期:2012-08-09]   来源:生物百花园  作者:生物百花园   阅读:262[字体: ]

目前百米赛跑的世界纪录是 9.58 秒,人类能在 9 秒之内冲过 100 米的终点线吗? 对大多数人而言,想提速,不借助外力,就靠肉体,有两个简单的选择:1)用更大的力蹬地;2)蹬地的力量不变,但延长作用时间。虽然很难,但还是让我们来分析看看。

牙买加短跑名将博尔特在 2009 年柏林世界锦标赛上跑出了百米 9.58 秒的成绩

牙买加短跑名将博尔特在 2009 年柏林世界锦标赛上跑出了百米 9.58 秒的成绩。(图片:capital.bg)

在 2008 年的北京奥运会上,牙买加短跑名将博尔特(Usain Bolt)用短短 9.69 秒跑完了 100 米,创下了新的世界纪录。一年后, 在 2009 年的柏林世界锦标赛上,博尔特又以惊人的 9.58 秒刷新了自己的记录。随着 2012 年的奥运会在伦敦开幕,体育界盼望着博尔特能战胜他新近的腿筋问题,朝着短跑纪录发起又一次总攻。博尔特可以说是历史上跑得最快的人。

人类最快又能快到哪里去呢?

不料想,这个问题还相当不好回答,遍翻纪录文献也没什么用。英国伦敦的皇家兽医学院(Royal Veterinary College)从事动物移动研究的约翰•哈钦森(John Hutchinson)说, “人们把统计数据翻来覆去看了又看,做了很多很多的预测。我不认为做力学研究的人会认为这些东西靠谱。”

问题是,人类短跑记录的发展历程一会儿像乌龟一样慢慢往前挪,一会儿又突然来个兔子一样的,呃,百米冲刺。人类是越跑越快了,但却以不可预知的方式在向前发展。从 1991 年到 2007 年,8 名运动员加起来把纪录往前推进了 0.16 秒。同样的事情,博尔特只用了短短一年便做到了。在 2008 年奥运会之前,数学家雷扎•瑙布雷(Reza Noubary)曾计算说 “100 米短跑的最快时间是 9.44 秒。” 在博尔特北京跑完之后,瑙布雷又告诉《连线》杂志说,预测时间 “可能还要缩短一点点”。

另一位数学家、来自剑桥大学的约翰•巴罗(John Barrow)已经算出了博尔特可以用来提高他成绩的 3 种方式:1)加快起跑速度;2)乘着更强的顺风跑;3)在高海拔地区空气稀薄的地方跑,这样受的空气阻力会减小。这些技巧可能会有用,但都有些不尽人意。我们真正想知道的,是弯曲关节和拉伸肌肉能否让一个短跑运动员在 9 秒之内冲过终点线,而不是仰仗适宜的外部条件。

要回答这个问题,先得要看看短跑运动员疾跑时腿部的受力情况。而这,无异于迎着无知高墙一头撞上去。 “要搞清楚短跑的力学比弄清楚强大的力量或持久的耐力从何而来还要难,” 南方卫理公会大学的彼得•韦扬德(Peter Weyand)说,他从事有关跑步的科学研究已经有几十年的时间了。与此相对,韦扬德说,我们可以调整一个自行车骑手的体重、姿势以及空气动力学外形,来预测这些改变会对他们环法自行车赛的表现有什么影响。 “我们知道精确到 1%、甚至更小的你会有什么性能起伏,” 他说。 “而短跑,就是一个黑洞。你没有种种这些的预测关系。”

我们的无知情有可原。就其性质而言,冲刺是很快的,科学家只能在有限的一段时间内进行测量。最重要的是,控制短跑速度的那些因素完全是反直觉的。

猎豹柔韧的脊椎最大化地延长了脚着地的时间

猎豹柔韧的脊椎最大化地延长了脚着地的时间。(图片:enteresan.com)

韦扬德将运动员跑步时的周期性腿部运动分为悬空和触地两个部分。让人意想不到的是,悬空时的部分其实无关紧要。早在 2000 年韦扬德便证明,全速奔跑时,每位选手大约要花 1/3 秒的时间把脚提起来又放下。 “不管是博尔特还是你外婆都是一样的,” 韦扬德说。 “外婆没办法跑得像博尔特那样快,但在她的最高速度上,外婆也用同样的速度重新定位她的脚。”

在空中的那 1/3 秒,也即摆动时间(swing time),很可能已接近生理极限。韦扬德认为,已经很难在这上面有所提高。不过也有一个例外值得注意:南非运动员奥斯卡•皮斯托留斯(Oscar Pistorius),他双腿截肢,用两条人造碳纤维腿奔跑,每条碳纤维腿的重量是普通血肉之腿的一半还不到。在奔跑速度相同的情况下,轻装上阵的皮斯托留斯,能比腿部健全的选手节约大约 20% 的摆动时间。

然而,对大多数选手而言,跑步的速度在很大程度上还是取决于他们的脚可以对地面施加多大的力。想提速,有两个简单的选择:1)用更大的力蹬地;2)蹬地的力量不变,但延长作用时间。

选项 2)部分解释了灰狗和猎豹为什么能跑这么快。它们柔韧的脊椎最大化地延长了四脚着地的时间。前掌着地时,它们的脊椎弯曲并塌陷,后掌着地前就能在空中停留更久。然后,脊椎再次伸长,加长了前掌悬空的时间,也使得后掌触地的时间更久。

这样的招数我们两条腿的人类是学不来的,但技术却提供了另一种可能。从 20 世纪 90 年代开始,速度滑冰运动员开始使用一种全新的 “拖拉板式冰鞋”,这种冰鞋的冰刀不是固定在鞋底,只在前端通过铰链与冰鞋相连,后跟部分的冰刀跟冰鞋是分开的。当脚往后滑时,这种新的设计增加了冰刀与冰面接触的时间,也就是在蹬地力度不变的情况下延长了作用时间。自此,短道速滑的世界纪录立马就有了大幅的缩短。

人们曾试图在跑鞋上复现出同样的效果,但收效甚微。这是因为人在跑动中的腿有点像弹簧单高跷。接触地面时人的腿会发生压缩形变,离开地面时会得到一定的弹性反弹。试图改变跑步者步态的技术往往会干扰这种反弹效果,进而削弱腿部的整体表现。韦扬德说, “用类似于拖拉板式冰鞋那样的干预方式,很难不对腿部的其他受力情况造成影响。”(同样,皮斯托留斯是个例外,他的假肢比常人的人腿弹性要好,使他接触地面的时间比其他选手的长 10% 左右。)

穿有 “拖拉板式冰鞋” 的短道速滑运动员

穿有 “拖拉板式冰鞋” 的短道速滑运动员(图片:en. wikipedia.com)

地面的力量

对于没法装假肢的短跑选手来说,还有一个选择:对地面施加更大的力。简而言之,跑得快的人比跑得慢的用更大的力在蹬地,当然这个力是相对于体重而言的。不过,这个蹬地的力是怎么来的,我们却知之甚少,根据运动员的体格或是奔跑动作来预测也完全不靠谱。

我们知道,冠军级别的男性短跑运动员可以以大约 2.5 倍体重的力量踩踏地面(大多数人可以达到 2 倍左右)。当博尔特的脚接触地面时,施加的力大约为 900 磅(400 公斤),这将持续几毫秒的时间,之后他的脚还会继续对地施力大概 90 毫秒。

南非运动员奥斯卡•皮斯托留斯(Oscar Pistorius)。在本届伦敦奥运会上,皮斯托留斯将用两条人造碳纤维腿,跟其他四肢完好的运动员一同在男子400 米接力赛的跑道上共同竞技
南非运动员奥斯卡•皮斯托留斯(Oscar Pistorius)。在本届伦敦奥运会上,皮斯托留斯将用两条人造碳纤维腿,跟其他四肢完好的运动员一同在男子 4×400 米接力赛的跑道上共同竞技。(图片:mirror.co.uk)

韦扬德常想,要是一个举重运动员挺举时,也想用踏出的那只脚对地面施加这么大的力——他还差得远呢。 “我们知道在静态环境下计算出的地面受力,只有短跑者实际施力的一半大小,” 他说。 “我们就是没有办法从身体的运动中推算出施加在地面上的力是多少。” 即便将来短跑运动员的肌肉可以通过基因兴奋剂技术得到增强,我们也没有办法计算出肌肉的主人能跑多快。

相关的研究正在进行,以填补这些差距。韦扬德希望能够在未来 5 年或 10 年内做出更好的预测。就在几个月前,来自墨尔本大学的马库斯•潘迪(Marcus Pandy) ,用计算机模拟的短跑运动员证明了,小腿肚上的肌肉比其他的任何地方在决定跑者对地施力的大小上都要重要。全速奔跑时,臀部的肌肉也愈加重要。哈钦森说: “可能的话,如果你要培养一名短跑选手,你不妨训练他们有一双超强劲的小腿肌肉。”

然而,就目前而言,任何有关人类速度上限的预测都是不尽准确的。要想知道本届奥运会上博尔特或是其他短跑选手会不会刷新纪录,办法只有一种——熬夜守着看吧。


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