人类速度的秘密

在今年二月的一个星期五早上，冠军短跑运动员迈克·罗杰斯被绑在一个安全带上，安全带悬挂在定制跑步机上方的天花板上。“从来没有人摔倒过，但你可能是第一个，”他被告知。罗杰斯笑了笑，振作精神准备跑步。他正在为奥运选拔赛训练。但那天他并没有在田径场或健身房的举重室里完成他的标准、严苛的训练。相反，他出现在达拉斯一座白色小楼里，门上印着“运动机能表现实验室”。

从外面看，这座建筑毫不起眼，它是由一家印刷店改建而成的，对面是一家宠物日托所和一家瑜伽馆。但近年来，像罗杰斯这样的数十名短跑运动员来到南方卫理公会大学的这个机构，向运动科学家彼得·G·韦兰德请教跑步技巧，或帮助他进行研究。韦兰德进行了许多研究人员认为迄今为止关于冲刺生物力学以及这些精英运动员如何达到破纪录速度的最佳科学研究。在 2016 年里约热内卢夏季奥运会之前，他的研究成果甚至已被纳入美国顶级短跑运动员的训练中。

该操作的核心是韦兰德的跑步机，这是一个价值约 25 万美元的装置，配备了专门的板，用于测量跑步者在运动过程中施加在地面上的力。安装在机器周围的三个摄像头捕捉用户步幅的高速 3D 图像。罗杰斯希望所有这些数据都能揭示一些见解，帮助他做出调整，从而在 100 米短跑中缩短关键的零点几秒。

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罗杰斯穿着与韦兰德要求所有受试者穿的相同类型的鞋子、氨纶上衣和短裤以及反光贴纸，开始跑步，以每小时 6.5 英里多一点的速度慢跑热身。然而，很快，他的速度就达到了每小时 23 英里以上。在这个速度下，他右小腿上的纹身——卡通人物“跑路者”，下面刻着“抓住我”这句话——肉眼已经看不清了。设备将测量数据输入到一个专门的计算机程序中，该程序绘制出他的运动图。

韦兰德研究了 120 多名跑步者，其中包括 12 名其他世界级短跑运动员——这些观察结果有助于填补科学家在理解高速跑步的生物力学方面长期存在的空白。在他的研究之前，关于优秀短跑运动员的普遍看法是，他们特别擅长在双脚腾空时快速调整肢体位置，为下一步做好准备。然而，这种说法主要源于直觉，而不是基于证据的理论。韦兰德是第一个对这个想法进行科学检验的人——他的研究结果表明，这个想法是错误的。相反，速度的关键似乎完全是其他因素，韦兰德说他可以教短跑运动员如何改进。

各就各位

尽管跑步作为一项运动可以追溯到至少公元前 776 年，当时赛跑是最早的奥林匹克运动会中唯一的项目，但支撑它的科学长期以来一直远远落后。也许最早尝试获取关于跑步者的严谨数据的尝试来自英国诺贝尔奖得主阿奇博尔德·希尔，他在 1927 年进行了一项实验，让佩戴磁铁的跑步者冲过检测磁铁的大线圈。通过了解线圈之间的距离，他可以计算出经过的跑步者的速度和加速度。

20 世纪 50 年代现代测力板的发明为研究跑步的另一个方面提供了手段。这些装置类似于秤，记录施加在它们上面的重量，并在一个步幅的过程中测量它。借助这些工具，科学家可以检查跑步者在比赛中不同速度下施加的变化力，或者比较不同类型的着地方式产生的力——例如，脚跟先着地的跑步者与脚尖先着地的跑步者。意大利科学家乔瓦尼·卡瓦尼亚在 20 世纪 70 年代通过让跑步者跑过跑道上设置的测力板来收集跑步者的受力数据。但由于测力板非常昂贵，他只有几个——只够捕捉比赛中一小部分的数据。为了获得完整的跑步数据，卡瓦尼亚不得不进行多场比赛，并在每次比赛后手动将测力板向前移动，一次只记录跑步者的几个步幅，然后将它们拼凑成一张合成图。

点击或轻触放大

基于这些和其他早期研究，冲刺科学主要关注是什么减慢了跑步者的速度——空气阻力，伦敦大学的动物运动专家吉姆·厄舍伍德说——而不是什么加速了他们。总的来说，这项工作几乎没有阐明短跑运动员可以做些什么来提高他们的表现。

韦兰德的研究有助于转移这种关注点，并产生了运动员可以采取行动的见解。但他并不是第一个预见到这种进步的人。由于速度是步幅长度乘以步幅频率的乘积，跑步者认为减少每只脚在地面上花费的时间将获得更快的速度。2000 年，韦兰德和他的同事发表了一篇具有里程碑意义的论文，展示了实际是如何做到的。他们招募了 33 名能力各异的跑步者，在他们早期配备测力板的跑步机上跑步。结果证明令人惊讶。韦兰德预计，速度更快的跑步者的脚在地面上花费的时间会更少，因此在空中花费的时间会比速度较慢的跑步者的脚更多。但他没有预料到，无论跑步者的能力如何，他们从一只脚抬离地面到同一只脚再次接触地面进行下一步之间所花费的时间都相同。

韦兰德的团队发现，真正让优秀短跑运动员与其他人区分开来的是跑步者撞击地面的力量。在随后的研究中，韦兰德进一步确定，在最高速度下，最好的跑步者着地时的峰值力高达自身体重的五倍，而普通跑步者则为 3.5 倍。这种差异意义重大，因为就像一个球扔得越用力弹得越高一样，撞击地面力量更大的跑步者会在撞击时储存更多能量，并因此以更长的步幅向前移动得更远更快。有力的撞击也使跑步者能够更快地反弹，从而减少双脚接触地面时间，从而提高步频。最好的跑步者步幅更长、频率更高。

预备

最近，韦兰德的团队还弄清楚了最好的短跑运动员是如何产生更高力量的——这样做迫使人们修正了跑步世界的另一个中心原则。根据 20 世纪 80 年代后期提出的流行的所谓跑步力学的弹簧-质量模型，跑步者的腿部运动相对被动，像弹簧单高跷一样工作，在撞击地面时接住身体，然后在反弹时将身体推回空中。他们着地力的图形表示类似于一个平缓的对称曲线。

但该模型是基于对慢速跑步者的观察。当韦兰德、南方卫理公会大学物理学家劳伦斯·瑞安和现在在西切斯特大学的生物力学专家肯·克拉克分析他们的视频片段和受力数据时，他们注意到该模型似乎并不适用于速度最快的跑步者。他们的腿部不是像弹簧单高跷的弹簧一样平稳地收缩和伸展，而是更像活塞一样运作，发出突然而强烈的撞击。他们着地力的受力数据形成了一个紧凑的高峰。

对这些快速跑步者下肢的仔细研究揭示了导致他们产生更高力量的微妙因素：他们在着地前立即绷紧脚踝，这有助于在撞击后零点几秒内减慢脚和脚踝的速度。这种减速有助于最大限度地提高地面对身体施加的力，以响应撞击并防止这种力的损失。精英短跑运动员还保持高抬膝，最大限度地增加他们与地面的距离，这为他们提供了时间和空间来加速着地，并最终以更大的力量着地。韦兰德说，2014 年发表的这些发现从逻辑上讲是合理的：如果你用软弱无力的手腕击打某人，就不会有那么大的力量。但他观察到，如果你保持手腕僵硬，那么你的拳头会更有力。

这些见解现在正在影响着该团队对那些寻求他们关于如何提高冲刺表现的建议的跑步者和教练所说的话。“这与简单的提示有关。我们不会说，让自己减速——我们说，保持身体僵硬地接触地面，然后减速就会随之发生，”韦兰德说。他补充说，一个听取这个建议的跑步者会感觉到每次着地时地面都会受到更重的撞击。身体其他部位的姿态也很重要，包括脚踝、膝盖、臀部、躯干和头部，这些部位也应保持僵硬。

韦兰德的发现并没有让所有人感到惊讶。生物力学家拉尔夫·曼恩曾是奥运跨栏运动员，现在在美国田径协会与跑步者和教练合作，他早已向跑步者提供过这种类型的反馈，美国田径协会教练达里尔·伍德森说，他指导包括罗杰斯在内的八名短跑运动员。伍德森说，然而，有具体数据支持曼恩的建议，这让教练们“对他们告诉跑步者的话更有信心”。

跑！

认真听取韦兰德教导的精英运动员报告说有所进步。奥运跨栏运动员大卫·奥利弗在 2008 年的比赛中获得铜牌后，想提高自己的表现，因此他的力量教练在 2012 年将他带到了韦兰德那里。韦兰德指出了奥利弗的两个薄弱环节：他的脚击打位置离他的质心太远，而且他的膝盖太靠后——而不是与另一条腿的膝盖平行或在其前方——这限制了他的击打力量。奥利弗说，他在训练和力量练习中专注于解决这些问题，并在几个月后看到了持续的进步。第二年，他在莫斯科举行的世界锦标赛 110 米跨栏比赛中获得金牌，并且至今仍在该项目的历史最佳榜单中排名第四。

但尽管有传闻报告，但迄今为止，尚未发表关于这些跑步者在尝试遵循韦兰德的建议后的科学研究。然而，目前正在进行的一项分析表明，他的建议可以带来显着的好处。蒙大拿大学的马特·邦德尔一直在分析这些指导对志愿短跑运动员的影响，并发现改进“与我们认为人们从兴奋剂中获得的提升相当”，他说。“这是一个相当显着的增强。”

尽管如此，韦兰德承认，生物力学并不是全部。他说，还有许多领域需要研究，还有一些事情是跑步者无法控制的。例如，基因显然非常重要。“如果你没有体面的体格和肌肉特性让你变得有力，你就无法完成[出色的冲刺]，”韦兰德解释说。有时运动员可以弥补生物力学方面的不足：韦兰德说，有史以来计时速度最快的人，牙买加的尤塞恩·博尔特，并非完美地执行了他所有的力学动作。这种并非完美的形式表明，其他因素肯定有助于博尔特的比赛——尤其是他的身高和力量。

运动科学家观察到，韦兰德的发现不仅适用于精英运动员，也适用于业余短跑运动员。他们说，保持脚踝僵硬、抬高膝盖并尝试用大力撞击地面不会让大多数人成为奥运选手，但可能有助于他们达到个人最好成绩。当然，对于业余跑步者来说，如此用力地撞击地面可能会有问题。例如，如果一个人姿势不佳，那么这种撞击可能会增加潜在受伤的几率，包括膝盖疼痛、足弓疼痛、胫骨疼痛或一种称为跖骨痛的疾病，在这种疾病中，脚掌会发炎。尼斯索菲亚安提波利斯大学的法国研究员 JB 莫林建议将下坡跑作为旨在保持脚踝笔直的训练方案的一部分。他还建议跳绳以帮助快速反弹。（韦兰德的发现仅适用于短跑运动员。耐力跑运动员不能以那么大的力量撞击地面，因为他们需要长时间保持能量。）

就他而言，罗杰斯从韦兰德那里得到了好消息。根据这位运动科学家的说法，一般来说，最好的短跑运动员“攻击地面”。罗杰斯的受力数据显示，他已经做到了这一点。尽管他体重只有约 165 磅，但他以超过 700 磅的力撞击跑步机——而且那还是在他之前的锻炼使肌肉疲劳的情况下。奥运会没有任何保证，但如果罗杰斯有资格参赛，他的评估对比赛日来说是个好兆头。