奧運(yùn)科普:奧運(yùn)冠軍沖刺速度僅相當(dāng)于家貓?四條腿為啥跑得更快?
發(fā)布時(shí)間:2021-08-06
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  頂級短跑運(yùn)動員的跑步速度往往可以達(dá)到約45公里/小時(shí),然而這些人類中的“飛人”們與動物王國的四腿哺乳動物相比,只跑出了相當(dāng)于家貓的最高速度。

  更不用提其他動物短跑健將們,獵豹的短跑速度最高能達(dá)到超過100公里/小時(shí),約為人類奧運(yùn)冠軍的2倍,羚羊可達(dá)到90公里/小時(shí),甚至連疣豬和野兔都能跑出約60公里/小時(shí)的速度,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類的百米飛人們。

  為什么這些四條腿的哺乳動物可以跑得比人類快這么多?僅僅因?yàn)樗鼈儽任覀兌嗔藘蓷l腿嗎?

  近日,德國科隆大學(xué)(University of Cologne)的研究人員開發(fā)出一款生物力學(xué)模型,可以計(jì)算出任何有腿動物的最大奔跑速度,從而揭開了這些動物“飛人”能夠高速奔跑的秘密。

  研究人員通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)函數(shù),納入空氣阻力(與地面水平反作用力達(dá)到平衡)與腿部幾何解剖結(jié)構(gòu)等物理學(xué)與生物學(xué)因素,考慮了體型、腿長、脊柱活動等多種身體結(jié)構(gòu)特征,開發(fā)了這款生物力學(xué)模型。

  首先,研究人員發(fā)現(xiàn),多兩條腿的確有助于提高奔跑速度。從物理角度看,動物的任何一條腿在著地時(shí)都會不可避免地經(jīng)歷機(jī)械能損耗。而如果多條腿與地面接觸,一條腿的能量損失可以通過另一條腿的功來補(bǔ)償,并且可以通過不同腿的合作,連續(xù)與地面接觸以維持速度穩(wěn)定。

  其次,動物的體重會影響它們的奔跑速度。隨著體重增加,動物奔跑時(shí)所受到的空氣阻力就越高,并且肌肉加速到高向心收縮率所需的時(shí)間隨其質(zhì)量急劇增加。向心性肌肉收縮力學(xué)(concentric muscle contraction mechanics)是影響動物奔跑的重要因素,跑步速度一般隨收縮肌纖維的長度變化率而增加。

  此外,動物奔跑的最高速度還取決脊柱的靈活性、腿長等因素。例如,許多四足哺乳動物能夠利用它們的軀干肌肉進(jìn)行快速收縮推進(jìn),得以“飛馳(gallop)”。然而,如果動物變得太重,即使是更強(qiáng)大的肌肉也無濟(jì)于事,因?yàn)楦蟮募∪庑枰嗟臅r(shí)間以高速收縮。

  經(jīng)典的例子是老鼠和大象。一只大象大小的老鼠根本不可能存活,因?yàn)樗墓穷^會在自身重量下斷裂。相對于它們的體重來說,大象的骨骼更厚更重,腿也更長更直,這些生物特征使大象能夠擁有巨大的體型。但是沉重的骨頭和難以彎曲的腿同時(shí)也限制了大象的奔跑速度,盡管它們的腿比獵豹長得多,在步幅上擁有優(yōu)勢。

  在人體幾何學(xué)方面,該模型表明,頂級短跑運(yùn)動員們已經(jīng)非常接近他們身體結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的最佳速度。除了外骨骼裝備或特殊跑鞋等外用技術(shù),以延長有效彈簧或提供額外的彈性,只有更長的腿或更有彈性的肌腱才能讓運(yùn)動員擁有更高的速度。

  換而言之,我們的健兒們已經(jīng)在人體力學(xué)范圍內(nèi)通過不懈的訓(xùn)練,達(dá)到了他們的速度極限,值得我們欽佩并為之喝彩!

  參考資料:

  [1] Günther, M。, et, al。 (2021)。 Rules of nature’s Formula Run: Muscle mechanics during late stance is the key to explaining maximum running speed。 Journal of Theoretical Biology, 523, 110714。 https://doi.org/10.1016/j.jtbi.2021.110714

  [2] Why four-legged animals are better sprinters。 Retrieved July 23, 2021, from https://www.sciencedaily.com/releases/2021/07/210723105319.htm

  本文來自藥明康德內(nèi)容微信團(tuán)隊(duì)


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