有些人可能认为跑步是脚掌从地面上 “推开”、向前跑动的过程，但实际上，跑步是一种协调的上下弹跳动作。人在跑步时，肌肉、肌腱和韧带会协调相互作用，物理力学上就像一根“弹簧杆”，称为“弹簧-质量（spring-mass）”系统，即所谓的“弹簧效应（spring mechnism）”。

近日，在一项新研究中，来自密西根大学（University of Michigan）的研究人员比较了表现卓越的“精英”级男性中长跑运动员，与同样训练有素的普通运动员，在跑步时的“弹簧-质量”系统，发现了一些有趣的差异，解释了为什么“精英”运动员跑得更快。这篇论文发表在顶级学术期刊《自然》旗下的同行评议期刊Scientific Reports上。



试验中，受试者在一个带压力板的跑步机上，以四个平常训练的跑步速度分别跑四分钟，中间有30-45秒的休息时间。精英组的4个速度为12km/h、14km/h、16km/h、18km/h，普通训练组的4个速度为10km/h、12km/h、14km/h、16km/h。

研究人员可以观察他们的腿部摆动时间、在空中的“飞行”时间、与地面的接触时间，以及步幅和步频（每分钟步数）等其他因素。



▲跑步过程中的“弹簧-质量”系统模型（图片来源：参考资料[1]）

研究人员发现，通常情况下，“精英”跑者像一根腿部刚度（leg stiffness）更强、身体垂直刚度更高（vertical stiffness）的“弹簧杆”。腿部刚度指的是跑步过程中的最大垂直力与腿部被压缩的长度之比，即脚掌刚落地的腿长，减去中站立（弯曲）时腿长的长度。而身体垂直刚度则是最大垂直力与“弹簧杆”质心的绝对位移之比，更高就更偏向直立。

虽然“精英”跑者的步幅和步频与普通训练组相似，但他们在空中呆得更长（飞行时间比普通组平均高11%），与地面接触的时间更少。

从物理角度看，这是由于他们的“弹簧-质量”系统通过压缩有效弹簧，能够更有效地回收动能，以快速高效地弹跳。

并且，与此同时，他们的速度依赖性更小，即步幅、步频、冲击角度、垂直位移等运动变量随速度的变化较小，保持相对一致的质心轨迹，这也有助于维持他们的高速度。

换句话说，优秀的“精英”中长跑运动员具有更加严格的“生理机械系统”，能根据速度变化迅速调整身体的肌肉骨骼状态，更好地利用身体的“弹簧-质量”系统动力学。



▲相比普通训练组（Trained组），精英组（Elite组）的腿部刚度和身体垂直刚度更高


研究人员表示，这种卓越的“弹性”机械系统可能是通过先天基因和后天训练的共同相互作用形成的，让“精英”跑者拥有更强的生理机能、与更灵敏稳健的神经肌肉系统协调模式。




▲Geoffrey T. Burns博士（图片来源：密西根大学官网）

针对想提高速度的普通跑者，本身也是一位优秀运动员的论文第一作者Geoffrey T. Burns博士建议，不要直接模仿“精英”跑者，想着“我要用更垂直的身体角度跑步”，或“我要尽量减少与地面接触的时间”，因为我们的身体会选择对我们来说最有效和最安全的运动模式，强行进行有意识的控制会造成不必要的损伤。而是可以通过一些增强式训练，逐步提高肌肉骨骼力量和肌腱系统，与增强神经肌肉的协调模式。

在未来的研究中，研究团队打算尝试在女性跑者中进行相似的研究，以探索性别差异的影响。

参考资料:

[1] Burns, G. T., et, al. (2021). Bouncing behavior of sub-four minute milers. Scientific Reports, 11(1). https://doi.org/10.1038/s41598-021-89858-1

[2] Elite runners spend more time in air, less on ground, than highly trained but nonelite peers. Retrieved July 20, 2021, from https://news.umich.edu/elite-runners-spend-more-time-in-air-less-on-ground-than-highly-trained-but-nonelite-peers/