奧運冠軍沖刺速度僅相當於家貓?四條腿為什麼跑得更快?

頂級短跑運動員的跑步速度往往可以達到約45公里/小時,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,只跑出了相當於家貓的最高速度。

▎藥明康德內容團隊編輯

奧運冠軍沖刺速度僅相當於家貓?四條腿為什麼跑得更快?

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

為什麼這些四條腿的哺乳動物可以跑得比人類快這麼多?僅僅因為它們比我們多了兩條腿嗎?

近日,德國科隆大學(University of Cologne)的研究人員開發出一款生物力學模型,可以計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。

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研究人員通過嚴格的數學函數,納入空氣阻力(與地面水平反作用力達到平衡)與腿部幾何解剖結構等物理學與生物學因素,考慮了體型、腿長、脊柱活動等多種身體結構特徵,開發了這款生物力學模型。

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首先,研究人員發現,多兩條腿的確有助於提高奔跑速度。從物理角度看,動物的任何一條腿在著地時都會不可避免地經歷機械能損耗。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償,並且可以通過不同腿的合作,連續與地面接觸以維持速度穩定。

其次,動物的體重會影響它們的奔跑速度。隨著體重增加,動物奔跑時所受到的空氣阻力就越高,並且肌肉加速到高向心收縮率所需的時間隨其質量急劇增加。向心性肌肉收縮力學(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。

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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行快速收縮推進,得以「飛馳(gallop)」。然而,如果動物變得太重,即使是更強大的肌肉也無濟於事,因為更大的肌肉需要更多的時間以高速收縮。

經典的例子是老鼠和大象。一隻大象大小的老鼠根本不可能存活,因為它的骨頭會在自身重量下斷裂。相對於它們的體重來說,大象的骨骼更厚更重,腿也更長更直,這些生物特徵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,在步幅上擁有優勢。

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在人體幾何學方面,該模型表明,頂級短跑運動員們已經非常接近他們身體結構所能達到的最佳速度。除了外骨骼裝備或特殊跑鞋等外用技術,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動員擁有更高的速度。

換而言之,我們的健兒們已經在人體力學范圍內通過不懈的訓練,達到了他們的速度極限,值得我們欽佩並為之喝彩!

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容微信團隊

來源:cnBeta