100米如何跑進9秒？

目前百米賽跑的世界紀錄是 9.58 秒，人類能在 9 秒之內沖過 100 米的終點線嗎？ 對大多數人而言，想提速，不借助外力，就靠肉體，有兩個簡單的選擇：1）用更大的力蹬地；2）蹬地的力量不變，但延長作用時間。雖然很難，但還是讓我們來分析看看。 牙買加短跑名將博爾特在 2009 年柏林世界錦標賽上跑出了百米 9.58 秒的成績。 在 2008 年的北京奧運會上，牙買加短跑名將博爾特（Usain Bolt）用短短 9.69 秒跑完了 100 米，創下了新的世界紀錄。一年后，在 2009 年的柏林世界錦標賽上，博爾特又以驚人的 9.58 秒刷新了自己的記錄。隨著 2012 年的奧運會在倫敦開幕，體育界盼望著博爾特能戰勝他新近的腿筋問題，朝著短跑紀錄發起又一次總攻。博爾特可以說是歷史上跑得最快的人，不過， 人類最快又能快到哪里去呢？ 不料想，這個問題還相當不好回答，遍翻紀錄文獻也沒什么用。英國倫敦的皇家獸醫學院（Royal Veterinary College）從事動物移動研究的約翰?哈欽森（John Hutchinson）說， “人們把統計數據翻來覆去看了又看，做了很多很多的預測。我不認為做力學研究的人會認為這些東西靠譜。” 問題是，人類短跑記錄的發展歷程一會兒像烏龜一樣慢慢往前挪，一會兒又突然來個兔子一樣的，呃，百米沖刺。人類是越跑越快了，但卻以不可預知的方式在向前發展。從 1991 年到 2007 年，8 名運動員加起來把紀錄往前推進了 0.16 秒。同樣的事情，博爾特只用了短短一年便做到了。在 2008 年奧運會之前，數學家雷扎?瑙布雷（Reza Noubary）曾計算說 “100 米短跑的最快時間是 9.44 秒。” 在博爾特北京跑完之后，瑙布雷又告訴《連線》雜志說，預測時間 “可能還要縮短一點點”。 另一位數學家、來自劍橋大學的約翰?巴羅（John Barrow）已經算出了博爾特可以用來提高他成績的 3 種方式：1）加快起跑速度；2）乘著更強的順風跑；3）在高海拔地區空氣稀薄的地方跑，這樣受的空氣阻力會減小。這些技巧可能會有用，但都有些不盡人意。我們真正想知道的，是彎曲關節和拉伸肌肉能否讓一個短跑運動員在 9 秒之內沖過終點線，而不是仰仗適宜的外部條件。 要回答這個問題，先得要看看短跑運動員疾跑時腿部的受力情況。而這，無異于迎著無知高墻一頭撞上去。 “要搞清楚短跑的力學比弄清楚強大的力量或持久的耐力從何而來還要難，” 南方衛理公會大學的彼得?韋揚德（Peter Weyand）說，他從事有關跑步的科學研究已經有幾十年的時間了。與此相對，韋揚德說，我們可以調整一個自行車騎手的體重、姿勢以及空氣動力學外形，來預測這些改變會對他們環法自行車賽的表現有什么影響。 “我們知道精確到 1％、甚至更小的你會有什么性能起伏，” 他說。 “而短跑，就是一個黑洞。你沒有種種這些的預測關系。” 我們的無知情有可原。就其性質而言，沖刺是很快的，科學家只能在有限的一段時間內進行測量。最重要的是，控制短跑速度的那些因素完全是反直覺的。 唯一的動力來源 獵豹柔韌的脊椎最大化地延長了腳著地的時間。 韋揚德將運動員跑步時的周期性腿部運動分為懸空和觸地兩個部分。讓人意想不到的是，懸空時的部分其實無關緊要。早在 2000 年韋揚德便證明，全速奔跑時，每位選手大約要花 1/3 秒的時間把腳提起來又放下。 “不管是博爾特還是你外婆都是一樣的，” 韋揚德說。 “外婆沒辦法跑得像博爾特那樣快，但在她的最高速度上，外婆也用同樣的速度重新定位她的腳。” 在空中的那 1/3 秒，也即擺動時間（swing time），很可能已接近生理極限。韋揚德認為，已經很難在這上面有所提高。不過也有一個例外值得注意：南非運動員奧斯卡?皮斯托留斯（Oscar Pistorius），他雙腿截肢，用兩條人造碳纖維腿奔跑，每條碳纖維腿的重量是普通血肉之腿的一半還不到。在奔跑速度相同的情況下，輕裝上陣的皮斯托留斯，能比腿部健全的選手節約大約 20% 的擺動時間。 然而，對大多數選手而言，跑步的速度在很大程度上還是取決于他們的腳可以對地面施加多大的力。想提速，有兩個簡單的選擇：1）用更大的力蹬地；2）蹬地的力量不變，但延長作用時間。 選項 2）部分解釋了灰狗和獵豹為什么能跑這么快。它們柔韌的脊椎最大化地延長了四腳著地的時間。前掌著地時，它們的脊椎彎曲并塌陷，后掌著地前就能在空中停留更久。然后，脊椎再次伸長，加長了前掌懸空的時間，也使得后掌觸地的時間更久。 這樣的招數我們兩條腿的人類是學不來的，但技術卻提供了另一種可能。從 20 世紀 90 年代開始，速度滑冰運動員開始使用一種全新的 “拖拉板式冰鞋”，這種冰鞋的冰刀不是固定在鞋底，只在前端通過鉸鏈與冰鞋相連，后跟部分的冰刀跟冰鞋是分開的。當腳往后滑時，這種新的設計增加了冰刀與冰面接觸的時間，也就是在蹬地力度不變的情況下延長了作用時間。自此，短道速滑的世界紀錄立馬就有了大幅的縮短。 人們曾試圖在跑鞋上復現出同樣的效果，但收效甚微。這是因為人在跑動中的腿有點像彈簧單高蹺。接觸地面時人的腿會發生壓縮形變，離開地面時會得到一定的彈性反彈。試圖改變跑步者步態的技術往往會干擾這種反彈效果，進而削弱腿部的整體表現。韋揚德說， “用類似于拖拉板式冰鞋那樣的干預方式，很難不對腿部的其他受力情況造成影響。”（同樣，皮斯托留斯是個例外，他的假肢比常人的人腿彈性要好，使他接觸地面的時間比其他選手的長 10％ 左右。） 穿有 “拖拉板式冰鞋” 的短道速滑運動員 地面的力量 對于沒法裝假肢的短跑選手來說，還有一個選擇：對地面施加更大的力。簡而言之，跑得快的人比跑得慢的用更大的力在蹬地，當然這個力是相對于體重而言的。不過，這個蹬地的力是怎么來的，我們卻知之甚少，根據運動員的體格或是奔跑動作來預測也完全不靠譜。 我們知道，冠軍級別的男性短跑運動員可以以大約 2.5 倍體重的力量踩踏地面（大多數人可以達到 2 倍左右）。當博爾特的腳接觸地面時，施加的力大約為 900 磅（400 公斤），這將持續幾毫秒的時間，之后他的腳還會繼續對地施力大概 90 毫秒。 南非運動員奧斯卡?皮斯托留斯（Oscar Pistorius）。在本屆倫敦奧運會上，皮斯托留斯將用兩條人造碳纖維腿，跟其他四肢完好的運動員一同在男子 4×400 米接力賽的跑道上共同競技。 韋揚德常想，要是一個舉重運動員挺舉時，也想用踏出的那只腳對地面施加這么大的力——他還差得遠呢。 “我們知道在靜態環境下計算出的地面受力，只有短跑者實際施力的一半大小，” 他說。 “我們就是沒有辦法從身體的運動中推算出施加在地面上的力是多少。” 即便將來短跑運動員的肌肉可以通過基因興奮劑技術得到增強，我們也沒有辦法計算出肌肉的主人能跑多快。 相關的研究正在進行，以填補這些差距。韋揚德希望能夠在未來 5 年或 10 年內做出更好的預測。就在幾個月前，來自墨爾本大學的馬庫斯?潘迪（Marcus Pandy） ，用計算機模擬的短跑運動員證明了，小腿肚上的肌肉比其他的任何地方在決定跑者對地施力的大小上都要重要。全速奔跑時，臀部的肌肉也愈加重要。哈欽森說： “可能的話，如果你要培養一名短跑選手，你不妨訓練他們有一雙超強勁的小腿肌肉。” 然而，就目前而言，任何有關人類速度上限的預測都是不盡準確的。要想知道本屆奧運會上博爾特或是其他短跑選手會不會刷新紀錄，辦法只有一種——熬夜守著看吧。 （來自果殼）