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跑步的奥秘:为什么短跑运动员能跑得那么快?

归档日期:06-29       文本归类:反作用力      文章编辑:爱尚语录

  研究一下“贴地飞行”的物理学:是什么“力”促使我们高速奔跑?摆臂有什么作用?身高又会对速度带来哪些影响?

  当我们在跑步时,双腿不断交替重复着抬起和放下的动作。脚底不断地与地面相接触,并且向地面施加力。

  由于作用力与反作用力的关系,地面也会对人施加了一个反作用力。这就好比我们用手打墙壁,手会痛是因为墙对手施加了反作用力。反作用力使人产生了加速度,所以才有了向前的动力。这在物理学上被称为“质心运动定律”。

  我们可以了解到人跑步的动力来源于人体(脚)与地面相接触而产生的反作用力,加上重力本身的存在。所以跑步时作用的共计有3个力,它们分别是:

  这三个力里面,重力是永恒存在的。理论上,想要跑的更快,就需要增加水平力(Fx)与垂直力(Fy)。这就好比开车,我们想加速就会猛踩油门。道理是一样的。

  在2009年柏林世锦赛上,博尔特以9.58秒打破世界纪录的成绩赢得百米冠军。当人们分析其原因时,有人认为博尔特是通过比任何人都快的移动双腿来跑的更快,也就是我们常说的步频。

  博尔特的步频相比竞争对手没有太过惊人的地方,不如一些个子更小的选手。有些学者,比如南方卫理公会大学(SMU)的教授Peter Weyand认为,人跑步的速度更多是与施加在地面上的力量(Fx与Fy)有关。

  Peter Weyand 邀请了一些专业运动员和非专业跑者为样本,让他们以自己的最快速度进行冲刺。实验首先证实了两组的抬腿与放腿的频率/时间非常相似,另外在一轮完整的冲刺过程(起速-保持-减速)中,专业运动员的峰值力超过1000磅(454公斤),而普通人仅为其一半大约500-600磅。

  直接点说,短跑运动员之所以能跑那么快就是因为腿部能够输出的力量远超常人,反应在人体身上就是腿部肌肉的发达。腿部对地面施加的力越大,地面的反作用力(Fx与Fy)就越大。相应的加速度变大,跑步速度也就变快了。

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