人類速度的秘密

在今年二月的一個星期五早上，冠軍短跑運動員邁克·羅傑斯被綁在一個安全帶上，安全帶懸掛在定製跑步機上方的天花板上。“從來沒有人摔倒過，但你可能是第一個，”他被告知。羅傑斯笑了笑，振作精神準備跑步。他正在為奧運選拔賽訓練。但那天他並沒有在田徑場或健身房的舉重室裡完成他的標準、嚴苛的訓練。相反，他出現在達拉斯一座白色小樓裡，門上印著“運動機能表現實驗室”。

從外面看，這座建築毫不起眼，它是由一家印刷店改建而成的，對面是一家寵物日託所和一家瑜伽館。但近年來，像羅傑斯這樣的數十名短跑運動員來到南方衛理公會大學的這個機構，向運動科學家彼得·G·韋蘭德請教跑步技巧，或幫助他進行研究。韋蘭德進行了許多研究人員認為迄今為止關於衝刺生物力學以及這些精英運動員如何達到破紀錄速度的最佳科學研究。在 2016 年裡約熱內盧夏季奧運會之前，他的研究成果甚至已被納入美國頂級短跑運動員的訓練中。

該操作的核心是韋蘭德的跑步機，這是一個價值約 25 萬美元的裝置，配備了專門的板，用於測量跑步者在運動過程中施加在地面上的力。安裝在機器周圍的三個攝像頭捕捉使用者步幅的高速 3D 影像。羅傑斯希望所有這些資料都能揭示一些見解，幫助他做出調整，從而在 100 米短跑中縮短關鍵的零點幾秒。

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羅傑斯穿著與韋蘭德要求所有受試者穿的相同型別的鞋子、氨綸上衣和短褲以及反光貼紙，開始跑步，以每小時 6.5 英里多一點的速度慢跑熱身。然而，很快，他的速度就達到了每小時 23 英里以上。在這個速度下，他右小腿上的紋身——卡通人物“跑路者”，下面刻著“抓住我”這句話——肉眼已經看不清了。裝置將測量資料輸入到一個專門的計算機程式中，該程式繪製出他的運動圖。

韋蘭德研究了 120 多名跑步者，其中包括 12 名其他世界級短跑運動員——這些觀察結果有助於填補科學家在理解高速跑步的生物力學方面長期存在的空白。在他的研究之前，關於優秀短跑運動員的普遍看法是，他們特別擅長在雙腳騰空時快速調整肢體位置，為下一步做好準備。然而，這種說法主要源於直覺，而不是基於證據的理論。韋蘭德是第一個對這個想法進行科學檢驗的人——他的研究結果表明，這個想法是錯誤的。相反，速度的關鍵似乎完全是其他因素，韋蘭德說他可以教短跑運動員如何改進。

各就各位

儘管跑步作為一項運動可以追溯到至少公元前 776 年，當時賽跑是最早的奧林匹克運動會中唯一的專案，但支撐它的科學長期以來一直遠遠落後。也許最早嘗試獲取關於跑步者的嚴謹資料的嘗試來自英國諾貝爾獎得主阿奇博爾德·希爾，他在 1927 年進行了一項實驗，讓佩戴磁鐵的跑步者衝過檢測磁鐵的大線圈。通過了解線圈之間的距離，他可以計算出經過的跑步者的速度和加速度。

20 世紀 50 年代現代測力板的發明為研究跑步的另一個方面提供了手段。這些裝置類似於秤，記錄施加在它們上面的重量，並在一個步幅的過程中測量它。藉助這些工具，科學家可以檢查跑步者在比賽中不同速度下施加的變化力，或者比較不同型別的著地方式產生的力——例如，腳跟先著地的跑步者與腳尖先著地的跑步者。義大利科學家喬瓦尼·卡瓦尼亞在 20 世紀 70 年代透過讓跑步者跑過跑道上設定的測力板來收集跑步者的受力資料。但由於測力板非常昂貴，他只有幾個——只夠捕捉比賽中一小部分的資料。為了獲得完整的跑步資料，卡瓦尼亞不得不進行多場比賽，並在每次比賽後手動將測力板向前移動，一次只記錄跑步者的幾個步幅，然後將它們拼湊成一張合成圖。

點選或輕觸放大

基於這些和其他早期研究，衝刺科學主要關注是什麼減慢了跑步者的速度——空氣阻力，倫敦大學的動物運動專家吉姆·厄舍伍德說——而不是什麼加速了他們。總的來說，這項工作幾乎沒有闡明短跑運動員可以做些什麼來提高他們的表現。

韋蘭德的研究有助於轉移這種關注點，併產生了運動員可以採取行動的見解。但他並不是第一個預見到這種進步的人。由於速度是步幅長度乘以步幅頻率的乘積，跑步者認為減少每隻腳在地面上花費的時間將獲得更快的速度。2000 年，韋蘭德和他的同事發表了一篇具有里程碑意義的論文，展示了實際是如何做到的。他們招募了 33 名能力各異的跑步者，在他們早期配備測力板的跑步機上跑步。結果證明令人驚訝。韋蘭德預計，速度更快的跑步者的腳在地面上花費的時間會更少，因此在空中花費的時間會比速度較慢的跑步者的腳更多。但他沒有預料到，無論跑步者的能力如何，他們從一隻腳抬離地面到同一只腳再次接觸地面進行下一步之間所花費的時間都相同。

韋蘭德的團隊發現，真正讓優秀短跑運動員與其他人區分開來的是跑步者撞擊地面的力量。在隨後的研究中，韋蘭德進一步確定，在最高速度下，最好的跑步者著地時的峰值力高達自身體重的五倍，而普通跑步者則為 3.5 倍。這種差異意義重大，因為就像一個球扔得越用力彈得越高一樣，撞擊地面力量更大的跑步者會在撞擊時儲存更多能量，並因此以更長的步幅向前移動得更遠更快。有力的撞擊也使跑步者能夠更快地反彈，從而減少雙腳接觸地面時間，從而提高步頻。最好的跑步者步幅更長、頻率更高。

預備

最近，韋蘭德的團隊還弄清楚了最好的短跑運動員是如何產生更高力量的——這樣做迫使人們修正了跑步世界的另一箇中心原則。根據 20 世紀 80 年代後期提出的流行的所謂跑步力學的彈簧-質量模型，跑步者的腿部運動相對被動，像彈簧單高蹺一樣工作，在撞擊地面時接住身體，然後在反彈時將身體推回空中。他們著地力的圖形表示類似於一個平緩的對稱曲線。

但該模型是基於對慢速跑步者的觀察。當韋蘭德、南方衛理公會大學物理學家勞倫斯·瑞安和現在在西切斯特大學的生物力學專家肯·克拉克分析他們的影片片段和受力資料時，他們注意到該模型似乎並不適用於速度最快的跑步者。他們的腿部不是像彈簧單高蹺的彈簧一樣平穩地收縮和伸展，而是更像活塞一樣運作，發出突然而強烈的撞擊。他們著地力的受力資料形成了一個緊湊的高峰。

對這些快速跑步者下肢的仔細研究揭示了導致他們產生更高力量的微妙因素：他們在著地前立即繃緊腳踝，這有助於在撞擊後零點幾秒內減慢腳和腳踝的速度。這種減速有助於最大限度地提高地面對身體施加的力，以響應撞擊並防止這種力的損失。精英短跑運動員還保持高抬膝，最大限度地增加他們與地面的距離，這為他們提供了時間和空間來加速著地，並最終以更大的力量著地。韋蘭德說，2014 年發表的這些發現從邏輯上講是合理的：如果你用軟弱無力的手腕擊打某人，就不會有那麼大的力量。但他觀察到，如果你保持手腕僵硬，那麼你的拳頭會更有力。

這些見解現在正在影響著該團隊對那些尋求他們關於如何提高衝刺表現的建議的跑步者和教練所說的話。“這與簡單的提示有關。我們不會說，讓自己減速——我們說，保持身體僵硬地接觸地面，然後減速就會隨之發生，”韋蘭德說。他補充說，一個聽取這個建議的跑步者會感覺到每次著地時地面都會受到更重的撞擊。身體其他部位的姿態也很重要，包括腳踝、膝蓋、臀部、軀幹和頭部，這些部位也應保持僵硬。

韋蘭德的發現並沒有讓所有人感到驚訝。生物力學家拉爾夫·曼恩曾是奧運跨欄運動員，現在在美國田徑協會與跑步者和教練合作，他早已向跑步者提供過這種型別的反饋，美國田徑協會教練達里爾·伍德森說，他指導包括羅傑斯在內的八名短跑運動員。伍德森說，然而，有具體資料支援曼恩的建議，這讓教練們“對他們告訴跑步者的話更有信心”。

跑！

認真聽取韋蘭德教導的精英運動員報告說有所進步。奧運跨欄運動員大衛·奧利弗在 2008 年的比賽中獲得銅牌後，想提高自己的表現，因此他的力量教練在 2012 年將他帶到了韋蘭德那裡。韋蘭德指出了奧利弗的兩個薄弱環節：他的腳擊打位置離他的質心太遠，而且他的膝蓋太靠後——而不是與另一條腿的膝蓋平行或在其前方——這限制了他的擊打力量。奧利弗說，他在訓練和力量練習中專注於解決這些問題，並在幾個月後看到了持續的進步。第二年，他在莫斯科舉行的世界錦標賽 110 米跨欄比賽中獲得金牌，並且至今仍在該專案的歷史最佳榜單中排名第四。

但儘管有傳聞報告，但迄今為止，尚未發表關於這些跑步者在嘗試遵循韋蘭德的建議後的科學研究。然而，目前正在進行的一項分析表明，他的建議可以帶來顯著的好處。蒙大拿大學的馬特·邦德爾一直在分析這些指導對志願短跑運動員的影響，並發現改進“與我們認為人們從興奮劑中獲得的提升相當”，他說。“這是一個相當顯著的增強。”

儘管如此，韋蘭德承認，生物力學並不是全部。他說，還有許多領域需要研究，還有一些事情是跑步者無法控制的。例如，基因顯然非常重要。“如果你沒有體面的體格和肌肉特性讓你變得有力，你就無法完成[出色的衝刺]，”韋蘭德解釋說。有時運動員可以彌補生物力學方面的不足：韋蘭德說，有史以來計時速度最快的人，牙買加的尤塞恩·博爾特，並非完美地執行了他所有的力學動作。這種並非完美的形式表明，其他因素肯定有助於博爾特的比賽——尤其是他的身高和力量。

運動科學家觀察到，韋蘭德的發現不僅適用於精英運動員，也適用於業餘短跑運動員。他們說，保持腳踝僵硬、抬高膝蓋並嘗試用大力撞擊地面不會讓大多數人成為奧運選手，但可能有助於他們達到個人最好成績。當然，對於業餘跑步者來說，如此用力地撞擊地面可能會有問題。例如，如果一個人姿勢不佳，那麼這種撞擊可能會增加潛在受傷的機率，包括膝蓋疼痛、足弓疼痛、脛骨疼痛或一種稱為蹠骨痛的疾病，在這種疾病中，腳掌會發炎。尼斯索菲亞安提波利斯大學的法國研究員 JB 莫林建議將下坡跑作為旨在保持腳踝筆直的訓練方案的一部分。他還建議跳繩以幫助快速反彈。（韋蘭德的發現僅適用於短跑運動員。耐力跑運動員不能以那麼大的力量撞擊地面，因為他們需要長時間保持能量。）

就他而言，羅傑斯從韋蘭德那裡得到了好訊息。根據這位運動科學家的說法，一般來說，最好的短跑運動員“攻擊地面”。羅傑斯的受力資料顯示，他已經做到了這一點。儘管他體重只有約 165 磅，但他以超過 700 磅的力撞擊跑步機——而且那還是在他之前的鍛鍊使肌肉疲勞的情況下。奧運會沒有任何保證，但如果羅傑斯有資格參賽，他的評估對比賽日來說是個好兆頭。