跑步的奧秘：為什麼短跑運動員能跑的那麼快？

研究一下「貼地飛行」的物理學：是什麼「力」促使我們高速奔跑？擺臂有什麼作用？身高又會對速度帶來哪些影響？

跑步中的「力」

當我們在跑步時，雙腿不斷交替重複著抬起和放下的動作。腳底不斷地與地面相接觸，並且向地面施加力。

由於作用力與反作用力的關係，地面也會對人施加了一個反作用力。這就好比我們用手打牆壁，手會痛是因為牆對手施加了反作用力。反作用力使人產生了加速度，所以才有了向前的動力。這在物理學上被稱為「質心運動定律」。

我們可以了解到人跑步的動力來源於人體（腳）與地面相接觸而產生的反作用力，加上重力本身的存在。所以跑步時作用的共計有3個力，它們分別是：

Fg：重力，作用於跑者的質心

Fx：腳與地面接觸所產生的水準力

Fy：腳與地面接觸所產生的垂直力

其中Fx和Fy就是上文所講述的反作用力。

這三個力裡面，重力是永恆存在的。理論上，想要跑的更快，就需要增加水準力（Fx）與垂直力（Fy）。這就好比開車，我們想加速就會猛踩油門。道理是一樣的。

提短跑和衝刺繞不開一個人，博爾特。

在2009年柏林世錦賽上，博爾特以9.58秒打破世界紀錄的成績贏得百米冠軍。當人們分析其原因時，有人認為博爾特是通過比任何人都快的移動雙腿來跑的更快，也就是我們常說的步頻。事實並非如此。

博爾特的步頻相比競爭對手沒有太過驚人的地方，不如一些個子更小的選手。有些學者，比如南方衛理公會大學(SMU)的教授Peter Weyand認為，人跑步的速度更多是與施加在地面上的力量（Fx與Fy）有關。

Peter Weyand 邀請了一些專業運動員和非專業跑者為樣本，讓他們以自己的最快速度進行衝刺。實驗首先證實了兩組的抬腿與放腿的頻率/時間非常相似，另外在一輪完整的衝刺過程（起速-保持-減速）中，專業運動員的峰值力超過1000磅（454公斤），而普通人僅為其一半大約500-600磅。

直接點說，短跑運動員之所以能跑那麼快就是因為腿部能夠輸出的力量遠超常人，反應在人體身上就是腿部肌肉的發達。腿部對地面施加的力越大，地面的反作用力（Fx與Fy）就越大。相應的加速度變大，跑步速度也就變快了。

實驗中，有一項數據更進一步解釋短跑運動員多輸出的力量去了哪裡。

衝刺期間，普通人的單腳接觸地面的時間大約為0.12秒，而專業運動員僅為0.08秒，這之間相差了33%。

跑步是由觸地和騰空階段所組成的，觸地時間短，也就意味著騰空階段時間長，拋物線的弧長也會更長。

而跑步就是不斷重複著觸地和騰空，我們的騰空階段越長，我們每一步也就變得更長。隨著跑步過程的進行，小優勢累計起來也就會變得越來越大。

跑步的動作除了雙腳不斷的交替觸地，還有上半身的擺臂——當左腳接觸地面，地面產生的反作用力會將我們向前推進，這是我們上文提到跑步的動力來源。

但是在產生反作用力的同時，還會產生扭轉力T1，帶動身體沿順時針旋轉。為了校正這種旋轉，手臂會自然地沿著反方向（逆時針）擺動，來施加一個反扭轉力T2來抵消身體的旋轉。

如果我們特意不去擺臂或者順拐，那麼沒有跑幾步就會摔倒在地上。

簡單來說，擺臂就是為了抵消腳部觸地時產生的扭轉力，以此來保持身體平衡。當擺臂與腳部完美協調同步時，身體會處於一個直線行進同時非常平衡的狀態，此時跑步的經濟性也就最高。

普通人與運動員之間的差距正是在於這「完美協調同步」上。特別是在短跑中，擺臂對速度的影響較大。速度越快，相應的擺臂速度以及幅度也要匹配——這也是為什麼短跑運動員通常還擁有著較強的上肢力量，其目的就是為了保持與腳部協調的揮臂速度。

身高會對跑步帶來什麼影響

身高越長的跑者，理論上能夠達到最高速度也就越大，只是想達到這個最大速度並不容易——

因為隨著身高的增長，身體協調性會下降，那麼最終施加在地的力量也會降低。所以通常優秀的短跑運動員身高會在180-185cm左右。

但特例也不少，比如1米95的博爾特。

除了身高外，博爾特右腳觸跑道時的峰值力比左腿要大13%左右（平均右腿1080磅、左腿955磅）。每次跨步時，他的左腳在地面停留的時間比右腳要長14%左右。這似乎與傳統理論相違背，不均衡必然導致失衡，跑步速度也不會快。也有人揣測這是為了適應脊柱側彎（導致左右腿長度不一致）而天然形成了這種跑步方式。

從目前短跑的趨勢來看，選手們要比過去越來越高了，上面說的180-185cm之外，也有大量的大個子跑者出現，這也說明頂尖選手越來越強大的身體協調性，他們足以抵消身高帶來的劣勢而極大發揮出步長的優勢。

文章整理自知乎Garmin佳明獨家