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是什么限制了奥运短跑运动员的速度?答案是腿长

来源:中检健康 编辑:中检健康 时间:2021-07-27
在东京奥运会上,一个受欢迎的项目是男子100米短跑。顶尖的短跑运动员能以每小时45公里的速度奔跑。这听起来令人震惊,但事实上,与动物王国的冲刺成绩相比,这算不了什么。

他的速度只相当于小猫的最大速度。猎豹的速度是人类的两倍多(超过100公里/小时)。其他动物如羚羊(90公里/小时),甚至是野猪和野兔(略低于60公里/小时)。

University of Stuttgart的Michael Gunther博士领导的研究小组调查了这些动物的最高速度所依赖的物理和生物因素。在这个过程中,研究人员对身体构造的重要性给出了全面的答案,比如:为什么中型动物能达到自然界的最高速度?决定最大运行速度的主要特征是什么?以及什么特性限制了速度?”

他们理论工作的核心是要克服的推进力和空气阻力的物理平衡,以及推进肌肉的惯性。它们显示了一种改变动物身体结构形状的主要途径,作为身体大小(异速生长)的功能,以适应快速的腿驱动的运动。

科隆大学动物研究所的Tom Weihmann博士说:“这条主要路径描述了一个生物体的形状如何随着身体大小的变化而变化,以达到很高的奔跑速度,以及特定的形状如何影响可以达到的最高速度。”

典型的例子是老鼠和大象。老鼠永远无法达到大象的体型,因为它们的骨头会在自身重量的作用下断裂。大象的骨头比体重更厚更重,腿比体重更长更直。然而,它们沉重的骨骼和笔直的腿限制了它们的最大速度,这比猎豹要低得多——尽管大象的腿要长得多。

然而,最大速度不仅取决于身体形状,还取决于结构,如腿的数量和脊柱的灵活性。例如,许多4条腿哺乳动物可以跑得比人类和鸟类等2条腿动物快,因为它们可以利用躯干肌肉的推动来跑。

“然而,如果动物变得太重,甚至更强壮的肌肉也无济于事,因为更大的肌肉需要更多的时间在最高速度下收缩。”Weihmann解释说,“因此,当最大体重超过50公斤时,冲刺速度将再次开始下降,这与地球上跑得最快的猎豹和叉角羚的平均体重相当接近。”

这个模型甚至可以应用于幻想生物。例如,电影《指环王》中的巨型蜘蛛Shelob可以达到每小时60公里的最高速度。

在身体几何方面,该模型显示,在体育运动中,顶尖的短跑运动员非常接近他们的最佳速度。除了技术应用,如特殊的跑鞋或外骨骼,提供延长杠杆或额外的弹性,只有更长的腿或更多的弹性肌腱可以实现更高的速度。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jtbi.2021.110714
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