互动科普

一天清晨，迈克·罗杰斯（Mike Rodgers）站在特制的跑台上，他的身上绑着一套保护装置，装置的另一端固定在天花板上。罗杰斯是今年二月卡尔斯鲁厄室内田径赛的男子60米冠军。身边的人告诉他：“还没有人在这摔倒，但你可能成为第一个。”罗杰斯笑了笑，开始在台上跑动。当时，他正在备战奥运会选拔赛，但是那天他没有在田径场上或力量训练房里进行常规的严格训练，而是出现在达拉斯一间小白房子里，房门上写有 “运动表现实验室”（Locomotor Performance Laboratory）的字样。

从外面看上去，这栋建筑并没有特别之处，是由一个复印店改造而成的，对面是宠物日托所和瑜伽工作室。但近些年来，上百位短跑运动员慕名来到这处属于南卫理公会大学的科研机构，向运动专家彼得·韦安德（Peter Weyand）征求建议，以改进跑步技术，或者参与韦安德开展的试验。韦安德开展的短跑生物力学研究致力于帮助顶级运动员在速度上取得突破，在很多科学家眼中，韦安德的研究走在最前沿。在2016年的里约热内卢夏季奥运会之前，他的研究成果已经融入美国顶尖短跑运动员的训练中。

这套研究装置的核心是跑台，这项价值约25万美元的新发明安装有特制的测力板，能够测出运动员运动时对地面的作用力。3台摄像机架设在跑台周围，用于捕捉运动员的高速三维影像。罗杰斯希望这些数据能够揭示他的动作细节，从而帮助他调整动作，在百米大战中节省关键的零点零几秒。

穿上受试者统一款式的跑鞋、氨纶纤维上衣和短裤，并喷上反光标志点后，罗杰斯开始以略高于每小时6.5英里（约10.5千米）的速度慢跑热身。很快，他的速度已高于每小时23英里（约37千米）。此时，他右侧小腿上的纹身（一个在路上奔跑的小人的卡通图像，下面写着“来追我”）已无法通过肉眼看清。仪器记录下数据并输入专用的计算机程序，重新合成他的运动图像。

韦安德已经对120多位短跑运动员进行了研究，其中包括罗杰斯等13位世界级短跑运动员。长期以来，科学家对于高速跑动状态下的运动力学了解甚少，韦安德的数据有助于填补这一空白。在此之前，对优秀短跑运动员的普遍认识是，在另一只脚着地之前，他们就可以使自己的肢体迅速复位，为下一步做好准备。然而，这一观点更多的是源于直觉，缺乏实验证据的支持。韦安德是第一位对此进行科学测试的研究者，他的发现证明那种观点是错误的，速度的关键取决于其他因素。韦安德表示，他能帮助短跑运动员针对此因素做出改进。

蹬地的力量

作为一项运动，跑步的历史至少可以追溯到公元前776年。在早期的奥林匹克运动会上，唯一的项目就是跑步。但是，科学对跑步运动的支撑却远远落后于运动本身的发展。第一位试图获得跑步运动员精确运动数据的科学家或许是1922年的诺贝尔生理学或医学奖得主、英国科学家阿奇博尔德·希尔（Archibald Hill），他在1927年设计了一个实验，让跑步者带上磁铁快速跑过一列可以检测磁铁的金属线圈，通过线圈之间的距离可以计算出跑步者的速度和加速度。

上世纪50年代，现代测力板的发明为跑步运动的研究提供了新方法。这些设备记录了在跑每一步的过程中，受试者施加在测力板上面的力。利用该工具，科学家能够检测在短跑过程中，跑步者在不同速度下对测力板的作用力是如何变化的，或者比较不同的落地方式（例如，足跟先落地，或是足尖先落地）产生的作用力。上世纪70年代，意大利科学家乔瓦尼·卡瓦尼亚（Giovanni Cavagna）在跑道上安装测力板，从而收集短跑运动员对测力板的作用力数据。但是因为测力板价格昂贵，他只有少量几块，因此只能捕捉短跑过程中一小段的数据。为了获得完整的数据，卡瓦尼亚不得不让受试者进行多次跑动，每次测试前他都要将测力板前移，最后再将各段数据拼凑在一起，合成一幅完整的图片。

伦敦大学的动物运动专家吉姆·厄舍伍德（Jim Usherwood）介绍说，在现有的研究中，科学家主要专注于研究减慢运动员速度的因素——空气阻力，而不是可以提高运动员速度的因素。总体来看，这类研究并没有为短跑运动员如何提高比赛成绩提供什么启示。

韦安德的研究使人们的关注点发生了改变，短跑运动员跑动的细节逐渐被揭露出来。但他并不是第一个想到这些因素的人。因为速度取决于步长乘以步频，有人推测，减少每只脚的着地时间就能提高速度。2000年，韦安德和学生发表了一篇有重大影响的论文，对该推测进行测试。他们招募了33位不同水平的短跑运动员，让运动员在安装了测力板的早期循环跑台上跑步。测试结果令人吃惊。根据韦安德的预期，高水平运动员的脚与跑台接触的时间应该更短，因此腾空时间更长。但出乎意料的是，无论运动员的水平如何，他们的脚腾空的时间都是一样的。

韦安德的研究团队发现，真正将优秀短跑运动员与普通选手区分开的关键因素是，跑步过程中对地面的作用力。在接下来的工作中，他进一步发现，顶级短跑运动员在最高速度下对地面的作用力峰值可达自身体重的5倍，而普通运动员的作用力仅为自身体重的3.5倍。这一区别具有重要意义，就像朝地面掷橡皮球时，用力越猛，橡皮球弹得越高，短跑运动员对地面的作用力越大，获得的反作用力就越大，因此向前跑动的步幅更长、速度更快。此外，对地面的作用力更大时，支撑脚可以更快地弹回，从而减少接触地面的时间，增加步频。因此，顶级短跑运动员步幅更长，并且步频更快。

绷紧踝关节

最近，韦安德的研究团队揭示了顶级运动员产生如此大的作用力的秘诀，这一结果使得短跑界的另一重要信条得到修正。根据上世纪80年代末根据跑步生物力学提出的“弹簧－质点模型”（spring-mass model），跑步者的腿像弹簧高跷（pogo stick，一种通过弹簧使使用者直立跳起的运动器械）一样被动地移动：落地时承受住身体的重量，弹回时将身体推向空中。对他们落地过程中的作用力作图，会发现图像呈一条平滑、对称的曲线。

但是，这一模型是基于对跑动者在慢速状态下的观察构建的。当韦安德与南卫理公会大学的物理学家劳伦斯·瑞恩（Laurence Ryan）、现就职于西彻斯特大学的生物力学专家肯·克拉克（Ken Clark）分析视频和作用力数据时，他们发现这一模型对顶级短跑运动员并不适用。不同于弹簧高跷那样平滑的作用力传递过程，顶级运动员的腿部运动更像活塞，作用力的传递突然且强烈。他们在落地过程中的作用力数据构成一个陡峭的峰。

通过对这些顶级运动员的下肢进行细致研究，韦安德等人揭示了他们能够产生高峰值力的原因：他们在落地前一瞬间绷紧踝关节，这样可以使脚和脚踝在与地面撞击之后瞬间减速，使得撞击后地面对身体的反作用力最大化，减少反作用力的损失。顶级运动员还会使膝关节保持在较高的位置以增加与地面之间的距离，这样他们在下落过程中可以有充足的时间和空间进行加速，从而在着地时产生更大的作用力。韦安德举例说明：“如果在腕关节放松的情况下击打他人，产生的力量十分有限；但当你绷紧腕关节，你将打出漂亮的一拳猛击。”这项研究成果已于2014年发表。

韦安德的研究团队正在将成果传授给一些短跑运动员和教练，他们渴望借助科学家的建议来提高短跑成绩。“给运动员的建议必须易于掌握，我们不会说‘主动减速’，而是建议‘落地时保持紧绷’，这样自然就会实现减速，” 韦安德解释道，“采纳我们的建议的运动员会在每一次接触地面时感受到更强烈的撞击。”此时，身体的其他部分，包括踝关节、膝关节、髋关节、躯干和头，同样需要保持紧绷状态。

韦安德的发现让很多人感到震惊，但拉尔夫·曼（Ralph Mann）是个例外。曼是一名曾参加过奥运会的跨栏运动员，现在作为一名生物力学专家，工作于美国田径队。达里尔·伍德森（Darryl Woodson）是罗杰斯等8名美国田径队短跑队员的教练，他告诉我们，曼一直在指导运动员这样做。而现在，有了坚实的数据做支撑，教练“在指导运动员时更有信心了”。

从铜牌到金牌

认真采纳了韦安德建议的顶级运动员的成绩得到了提高。戴维·奥利弗（David Oliver）是2008年奥运会男子110米跨栏的铜牌获得者。为了进一步提升成绩，2012年，他的力量训练教练带他来见韦安德。韦安德指出奥利弗的两个弱点：他的脚落地时离身体中心太远，同时他的膝关节位置太靠后（实际上应与另一侧膝关节平行或稍靠前），由此限制了落地时的作用力。奥利弗说他会在日后的训练中重点关注这些问题，并且加强练习。几个月后，他取得了持续的进步。在2013年的莫斯科田径世锦赛中，他夺得了110米栏的金牌，现在他仍然保持着该项目历史第四好的成绩。

尽管如此，有些报告指出，在这些运动员尝试采纳韦安德的建议后，至今没有针对运动员的后续科学研究。然而，一项正在进行的研究指出，韦安德的指导能为运动员带来显著的益处。蒙大拿大学的马特·邦德（Matt Bundle）一直在分析这些建议是如何影响短跑运动员的，他说：“这些运动员取得的进步令人惊叹，如果你不知道他们使用的方法，你甚至可能认为他们服用了提高成绩的药物。”

然而，韦安德承认，生物力学不足以解决所有的问题。还有很多领域有待研究，还有一些因素超出了运动员的控制，例如基因。“如果你的体型不合适，或肌肉类型不足以产生足够强的作用力，你是无法取得优异的短跑成绩的。”韦安德解释说。有时，运动员甚至可以弥补生物力学上的短板。据韦安德介绍，作为世界上跑的最快的人，牙买加的尤塞因·博尔特（Usain Bolt）并不具备完美无瑕的力学条件。这意味着其他因素对博尔特的速度起到了关键性的作用，特别是他的身高和力量。

运动科学家发现，韦安德的研究成果不仅适用于顶级运动员，对业余短跑爱好者同样具有指导意义。这些业余爱好者表示，“踝关节保持紧绷、抬高膝关节、尝试用更大的力量触地”——这些方法不会使每个人都成为奥运选手，但可以帮助他们提升自己的最好成绩。当然，如此猛烈的触地方式会给业余跑步者带来一些问题。例如，对体格较弱的人来说，这样的触地方式可能会引发潜在的伤害，包括膝关节痛、足弓痛、胫骨骨裂或跖骨痛（脚掌前段的跖球发炎）。法国尼斯大学的科学家JB·莫兰（JB Morin）建议将下坡跑作为训练计划的一部分，以此帮助形成踝关节绷直的习惯。他还建议通过跳绳锻炼快速弹回的能力。（韦安德的研究成果只适用于短跑。长跑运动员不能用这么大的力量触地，他们反而需要在长时间内保留能量。）

对罗杰斯来说，他从韦安德那里得到了好消息。根据运动专家的研究，顶级短跑运动员会以非常大的力量触地，而罗杰斯的数据显示他已经做到了。虽然他的体重只有大约165磅（约74.8千克），但他接触跑台时的作用力超过700磅（约317.5千克），这还是他在疲劳状态下测得的数据。在里约奥运会的4×100米接力赛场上，罗杰斯将展示新科技给他的帮助。