物理科技的力量:科学加速飞毛腿

  今年2月的某个星期五早上,正为本届奥运选拔赛接受训练的美国短跑冠军罗杰斯(Mike Rodgers),身体被垂降自天花板的安全背带绑著,双脚则踩在特製的跑步机上。「还没有人掉下来过,但也不是完全不可能!」有人这样告诉他,罗杰斯面带微笑正为跑步热身,不过那天他并没有完成任何一项标准训练:在赛道上练跑或在专属健身房做重训。相反地,他出现在德州达拉斯一栋小型白色建筑裡,大门口的浮雕上写著「运动表现实验室」。

  这栋建筑位于一家宠物旅馆和一间瑜伽教室对面,外观看来平凡无奇,就像一家数位印刷公司。但近年来,许多短跑运动员例如罗杰斯,都来到这栋隶属南美以美大学的建筑,希望听取运动科学家韦扬德(Peter Weyand)针对他们跑步技巧的建议,或是担任受试者帮助韦扬德进行研究。韦扬德长年研究短跑生物力学,破解优秀运动员如何达成破纪录速度的奥秘,成果广受推崇。今年巴西里约热内卢夏季奥运即将到来,他的研究结果甚至被纳入美国顶尖短跑运动员的训练内容。

  整套设备的枢纽是韦扬德特製的跑步机,这台要价25万美元的跑步机,配有特殊的施力板用来测量跑者在跨步时对地面的施力大小。跑步机的周围架设了三台照相机,用来拍摄跑者高速跨步的立体影像。罗杰斯希望分析这些数据能带来洞见,帮助他调整跑步速度,缩短他在100公尺短跑衝刺时的秒数。

科学加速,飞毛腿

  穿上韦扬德要求受试者穿著的跑鞋、弹性纤维上衣和短裤并贴上反光贴纸,罗杰斯开始跑步,他跨大步以时速超过10公里的速度热身,很快地,他的时速达到将近37公里;在这样的速度下,他右小腿上的刺青哔哔鸟卡通图案与「捉住我」的字,肉眼已无法看清。跑步机能记录量测到的即时数据,并自动汇入专用电脑程式进行分析再绘製出动作图谱。

  韦扬德已量测并记录120多名跑者,包括12名世界级短跑运动员,这些记录大大弥补了科学家长期以来对高速移动的生物力学知识的空窗。在他的研究结果出炉之前,对于优秀短跑运动员的普遍看法是,这些短跑运动员特别擅长在跨出下一步前,在空中迅速重新定位四肢。然而这种说法多半来自直觉,并非基于科学证据得出的结论。韦扬德是第一位用科学方法检验这个说法的学者,他的研究结果显示,这个说法是错误的,增进短跑速度的关键,似乎是完全不一样的因素,韦扬德表示,新的研究结果能让短跑运动员的表现更上一层楼。

科学加速,飞毛腿

  各就各位!

  跑步在运动史上最早可追溯至公元前776年,当时的奥运会唯一赛事是赛跑,不过跑步的科学基础却远远落后。也许最早尝试记录可靠的跑步数据是1922年诺贝尔生医奖得主希尔(Archibald Hill),他在1927年进行实验,让跑者穿戴著磁铁衝刺通过能侦测磁场的大型线圈;已知线圈之间的距离,因此能计算出跑者的速度与加速度

  1950年代,现代测力板的发明提供研究跑步的科学家其他层面的工具。测力板像秤一样,能记录跑步过程中每一步所施加的力道。有了这样的工具,科学家可以检视跑者以不同速度跑步所施加的力量,或是不同类型的踏步(例如脚尖或脚跟著地)的力量差异。1970年代,义大利科学家卡瓦纳(Giovanni Cavagna)在跑道上装设测力板以蒐集跑者的施力数据,但由于测力板造价昂贵,他拥有的测力板数量只够记录一小段距离。为了记录完整的短跑数据,卡瓦纳只能重複量测许多段短跑,而且还得以人工往前移动测力板,一次只能记录跑者的几个跨步,接著再拼凑成複合影像。

  英国伦敦大学研究动物运动学的科学家亚瑟伍(Jim Usherwood)表示,根据卡瓦纳以及其他早期的研究成果,短跑科学主要集中在探讨如何减缓跑者的空气阻力,而不是提升速度。整体而言,这些研究对于提升短跑运动员的表现,仅有些许贡献。韦扬德的研究转移了这个领域的研究重心,研究产生的新见解也提供运动员著力之处,但他并非第一位想改善跑步速度的人。由于速度等于步幅乘以步频,假如跑者缩短脚踩在地上的时间,将能提升淨速度。韦扬德和同事在2000年发表了一篇经典论文,阐述跑步真正的运作机制。他们招募33名能力不同的跑者,在装配测力板的早期跑步机上衝刺,结果令人惊讶。韦扬德原本的预期是:比起跑得慢的跑者,跑得快的跑者脚踏在地上的时间会更短,而有更多时间在空中。但他没预料到实际的情形是,无论运动员能力如何,他们同一隻脚离地与再落地的时间,其实都一样。

  韦扬德的团队发现,优秀短跑运动员与他人的差异在于跑者踩踏在地面的力道。在随后的研究他们进一步发现,优秀跑者在达到最高速时,脚踩踏在地面的力量是体重的5倍,而中等的跑者则是3.5倍。这种差别相当显著,就像更用力往下丢掷弹力球时,球会跳得更高一样,当跑者用更大的力量踩踏地面,衝击力会让他跨得更大步因此跑得更快。有力的踩踏也让跑者反弹更快,减少脚接触地面的时间,因而提高步频。最优秀的短跑运动员不但步幅更大,而且步频也更高。