物理

科學加速飛毛腿

科學家對短跑生物力學 有了新見解,有助於 短跑選手在奧運賽事更上一層樓。

撰文/馬隆(Dina Fine Maron)
翻譯/林雅玲

物理

科學加速飛毛腿

科學家對短跑生物力學 有了新見解,有助於 短跑選手在奧運賽事更上一層樓。

撰文/馬隆(Dina Fine Maron)
翻譯/林雅玲


今年2月的某個星期五早上,正為本屆奧運選拔賽接受訓練的美國短跑冠軍羅傑斯(Mike Rodgers),身體被垂降自天花板的安全背帶綁著,雙腳則踩在特製的跑步機上。「還沒有人掉下來過,但也不是完全不可能!」有人這樣告訴他,羅傑斯面帶微笑正為跑步熱身,不過那天他並沒有完成任何一項標準訓練:在賽道上練跑或在專屬健身房做重訓。相反地,他出現在德州達拉斯一棟小型白色建築裡,大門口的浮雕上寫著「運動表現實驗室」。


這棟建築位於一家寵物旅館和一間瑜伽教室對面,外觀看來平凡無奇,就像一家數位印刷公司。但近年來,許多短跑運動員例如羅傑斯,都來到這棟隸屬南美以美大學的建築,希望聽取運動科學家韋揚德(Peter Weyand)針對他們跑步技巧的建議,或是擔任受試者幫助韋揚德進行研究。韋揚德長年研究短跑生物力學,破解優秀運動員如何達成破紀錄速度的奧秘,成果廣受推崇。今年巴西里約熱內盧夏季奧運即將到來,他的研究結果甚至被納入美國頂尖短跑運動員的訓練內容。


整套設備的樞紐是韋揚德特製的跑步機,這台要價25萬美元的跑步機,配有特殊的施力板用來測量跑者在跨步時對地面的施力大小。跑步機的周圍架設了三台照相機,用來拍攝跑者高速跨步的立體影像。羅傑斯希望分析這些數據能帶來洞見,幫助他調整跑步速度,縮短他在100公尺短跑衝刺時的秒數。


穿上韋揚德要求受試者穿著的跑鞋、彈性纖維上衣和短褲並貼上反光貼紙,羅傑斯開始跑步,他跨大步以時速超過10公里的速度熱身,很快地,他的時速達到將近37公里;在這樣的速度下,他右小腿上的刺青嗶嗶鳥卡通圖案與「捉住我」的字,肉眼已無法看清。跑步機能記錄量測到的即時數據,並自動匯入專用電腦程式進行分析再繪製出動作圖譜。


韋揚德已量測並記錄120多名跑者,包括12名世界級短跑運動員,這些記錄大大彌補了科學家長期以來對高速移動的生物力學知識的空窗。在他的研究結果出爐之前,對於優秀短跑運動員的普遍看法是,這些短跑運動員特別擅長在跨出下一步前,在空中迅速重新定位四肢。然而這種說法多半來自直覺,並非基於科學證據得出的結論。韋揚德是第一位用科學方法檢驗這個說法的學者,他的研究結果顯示,這個說法是錯誤的,增進短跑速度的關鍵,似乎是完全不一樣的因素,韋揚德表示,新的研究結果能讓短跑運動員的表現更上一層樓。


各就各位!


跑步在運動史上最早可追溯至公元前776年,當時的奧運會唯一賽事是賽跑,不過跑步的科學基礎卻遠遠落後。也許最早嘗試記錄可靠的跑步數據是1922年諾貝爾生醫獎得主希爾(Archibald Hill),他在1927年進行實驗,讓跑者穿戴著磁鐵衝刺通過能偵測磁場的大型線圈;已知線圈之間的距離,因此能計算出跑者的速度與加速度。


1950年代,現代測力板的發明提供研究跑步的科學家其他層面的工具。測力板像秤一樣,能記錄跑步過程中每一步所施加的力道。有了這樣的工具,科學家可以檢視跑者以不同速度跑步所施加的力量,或是不同類型的踏步(例如腳尖或腳跟著地)的力量差異。1970年代,義大利科學家卡瓦納(Giovanni Cavagna)在跑道上裝設測力板以蒐集跑者的施力數據,但由於測力板造價昂貴,他擁有的測力板數量只夠記錄一小段距離。為了記錄完整的短跑數據,卡瓦納只能重複量測許多段短跑,而且還得以人工往前移動測力板,一次只能記錄跑者的幾個跨步,接著再拼湊成複合影像。


英國倫敦大學研究動物運動學的科學家亞瑟伍(Jim Usherwood)表示,根據卡瓦納以及其他早期的研究成果,短跑科學主要集中在探討如何減緩跑者的空氣阻力,而不是提升速度。整體而言,這些研究對於提升短跑運動員的表現,僅有些許貢獻。韋揚德的研究轉移了這個領域的研究重心,研究產生的新見解也提供運動員著力之處,但他並非第一位想改善跑步速度的人。由於速度等於步幅乘以步頻,假如跑者縮短腳踩在地上的時間,將能提升淨速度。韋揚德和同事在2000年發表了一篇經典論文,闡述跑步真正的運作機制。他們招募33名能力不同的跑者,在裝配測力板的早期跑步機上衝刺,結果令人驚訝。韋揚德原本的預期是:比起跑得慢的跑者,跑得快的跑者腳踏在地上的時間會更短,而有更多時間在空中。但他沒預料到實際的情形是,無論運動員能力如何,他們同一隻腳離地與再落地的時間,其實都一樣。


韋揚德的團隊發現,優秀短跑運動員與他人的差異在於跑者踩踏在地面的力道。在隨後的研究他們進一步發現,優秀跑者在達到最高速時,腳踩踏在地面的力量是體重的5倍,而中等的跑者則是3.5倍。這種差別相當顯著,就像更用力往下丟擲彈力球時,球會跳得更高一樣,當跑者用更大的力量踩踏地面,衝擊力會讓他跨得更大步因此跑得更快。有力的踩踏也讓跑者反彈更快,減少腳接觸地面的時間,因而提高步頻。最優秀的短跑運動員不但步幅更大,而且步頻也更高。