跑步的奥秘：为什么短跑运动员能跑的那么快？

乞力马扎罗山

研究一下“贴地飞行”的物理学：是什么“力”促使我们高速奔跑？摆臂有什么作用？身高又会对速度带来哪些影响？

图/wiki

跑步中的“力”

当我们在跑步时，双腿不断交替重复着抬起和放下的动作。脚底不断地与地面相接触，并且向地面施加力。
由于作用力与反作用力的关系，地面也会对人施加了一个反作用力。这就好比我们用手打墙壁，手会痛是因为墙对手施加了反作用力。反作用力使人产生了加速度，所以才有了向前的动力。这在物理学上被称为“质心运动定律”。

我们可以了解到人跑步的动力来源于人体（脚）与地面相接触而产生的反作用力，加上重力本身的存在。所以跑步时作用的共计有3个力，它们分别是：

• Fg：重力，作用于跑者的质心
  
• Fx：脚与地面接触所产生的水平力
  
• Fy：脚与地面接触所产生的垂直力
  

其中Fx和Fy就是上文所讲述的反作用力。



这三个力里面，重力是永恒存在的。理论上，想要跑的更快，就需要增加水平力（Fx）与垂直力（Fy）。这就好比开车，我们想加速就会猛踩油门。道理是一样的。

提短跑和冲刺绕不开一个人，博尔特。
在2009年柏林世锦赛上，博尔特以9.58秒打破世界纪录的成绩赢得百米冠军。当人们分析其原因时，有人认为博尔特是通过比任何人都快的移动双腿来跑的更快，也就是我们常说的步频。
事实并非如此。
博尔特的步频相比竞争对手没有太过惊人的地方，不如一些个子更小的选手。有些学者，比如南方卫理公会大学(SMU)的教授Peter Weyand认为，人跑步的速度更多是与施加在地面上的力量（Fx与Fy）有关。

Peter Weyand 邀请了一些专业运动员和非专业跑者为样本，让他们以自己的最快速度进行冲刺。实验首先证实了两组的抬腿与放腿的频率/时间非常相似，另外在一轮完整的冲刺过程（起速-保持-减速）中，专业运动员的峰值力超过1000磅（454公斤），而普通人仅为其一半大约500-600磅。
直接点说，短跑运动员之所以能跑那么快就是因为腿部能够输出的力量远超常人，反应在人体身上就是腿部肌肉的发达。腿部对地面施加的力越大，地面的反作用力（Fx与Fy）就越大。相应的加速度变大，跑步速度也就变快了。



实验中，有一项数据更进一步解释短跑运动员多输出的力量去了哪里。
冲刺期间，普通人的单脚接触地面的时间大约为0.12秒，而专业运动员仅为0.08秒，这之间相差了33%。



跑步是由触地和腾空阶段所组成的，触地时间短，也就意味着腾空阶段时间长，抛物线的弧长也会更长。
而跑步就是不断重复着触地和腾空，我们的腾空阶段越长，我们每一步也就变得更长。随着跑步过程的进行，小优势累计起来也就会变得越来越大。
（关于触地时间可以看这篇：跑步的「触地时间」是什么意思，为何高手的触地时间那么短？ ）  



跑步摆臂的原理

跑步的动作除了双脚不断的交替触地，还有上半身的摆臂——
当左脚接触地面，地面产生的反作用力会将我们向前推进，这是我们上文提到跑步的动力来源。
但是在产生反作用力的同时，还会产生扭转力T1，带动身体沿顺时针旋转。为了校正这种旋转，手臂会自然地沿着反方向（逆时针）摆动，来施加一个反扭转力T2来抵消身体的旋转。
如果我们特意不去摆臂或者顺拐，那么没有跑几步就会摔倒在地上。



简单来说，摆臂就是为了抵消脚部触地时产生的扭转力，以此来保持身体平衡。当摆臂与脚部完美协调同步时，身体会处于一个直线行进同时非常平衡的状态，此时跑步的经济性也就最高。

普通人与运动员之间的差距正是在于这“完美协调同步”上。特别是在短跑中，摆臂对速度的影响较大。速度越快，相应的摆臂速度以及幅度也要匹配——这也是为什么短跑运动员通常还拥有着较强的上肢力量，其目的就是为了保持与脚部协调的挥臂速度。
​
身高会对跑步带来什么影响

身高越长的跑者，理论上能够达到最高速度也就越大，只是想达到这个最大速度并不容易——
因为随着身高的增长，身体协调性会下降，那么最终施加在地的力量也会降低。所以通常优秀的短跑运动员身高会在180-185cm左右。
但特例也不少，比如1米95的博尔特。



图/STUFF

除了身高外，博尔特右脚触跑道时的峰值力比左腿要大13%左右（平均右腿1080磅、左腿955磅）。每次跨步时，他的左脚在地面停留的时间比右脚要长14%左右。这似乎与传统理论相违背，不均衡必然导致失衡，跑步速度也不会快。也有人揣测这是为了适应脊柱侧弯（导致左右腿长度不一致）而天然形成了这种跑步方式。

从目前短跑的趋势来看，选手们要比过去越来越高了，上面说的180-185cm之外，也有大量的大个子跑者出现，这也说明顶尖选手越来越强大的身体协调性，他们足以抵消身高带来的劣势而极大发挥出步长的优势。



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人身就是戏全靠不要脸

博尔特是神

云兮

为什么你这篇文章没有提到运动员在短跑时会吸气放屁助推的现象？

鲁人

力气大咯。

夏天的雨很美

脑子是个好东西呀

扎实酱的新柔

短跑脚尖跑...

咯

城市森林

袖珍女短跑王，怎么说?

任蛟龙

动量定理了解一下，你就知道那点空气质量和速度，能助推运动员那么重的身躯速度快多少？

任卓

脑子是个好东西啊。人家在开玩笑…