想要了解一个人最终能够跑多快，我们需要抛开历史记录册，研究博尔特的腿是如何运动的。
在2008年的北京奥运会上，牙买加短跑名将博尔特在100米比赛中跑出了9秒69的好成绩，创下了新的历史记录。一年之后，在2009年的柏林世界锦标赛上，博尔特刷新了自己创下的成绩，跑出了惊人的9秒58。随着2012年伦敦奥运会的临近，体育界盼望博尔特能够克服腿伤，向新的历史纪录发起冲击。他可以说是历史上跑的最快的人了，但最快可以有多快呢？
这的确是一个难以回答的问题，翻阅历史记录册也收效甚微。英国伦敦皇家兽医学院研究力学的John Hutchinson说道：“人们研究了许多统计数据，也据此做出了很多预测。但我认为，从事力学研究的人，并没有尽心做事。”
问题的重点在于，短跑记录数列的特点类似于龟兔赛跑中乌龟的平缓跑和兔子的冲刺跑。人类以一种不可预知的方式越跑越快。从1991年到2007年，8名运动员将历史记录提高了0.16秒，博尔特在一年之中做到了这一点。2008年以前，数学家Reza Noubary计算得出，“100米的最快速度是9.44秒。”博尔特北京创纪录之后，他说道，这一预测数据可能会再低一点点。
来自剑桥大学的另一位数学家John Barrow确定了三种可以提高博尔特速度的途径——单纯加快速度，顺风环境，在高海拔地区（稀薄的空气减少阻力）。尽管这些技巧有可能有用，但却不尽如人意。我们真正想知道的是，是否弹性的肌肉和弯曲的关节能够让一个短跑运动员跨越9秒，而非依靠外部环境作用。
要回答这一问题，我们先来看看短跑时腿部的物理分析。这需要义无反顾的向前冲。南方卫理公会大学、多年从事赛跑科学研究的Peter Weyand说道，“研究短跑中的力学要比耐力运动更加复杂。”通过对比分析，Weyand说道：我们可以调整自行车的重量、位置和外形，从而预测环法赛中车手的表现，从中我们可以获悉1%甚至更加细微的选手表现的变化。在短跑比赛中，就像是一个黑洞，你无法对这类关系进行预测。
我们的这种无知是可以理解的。究其本质而言，冲刺是短暂的，因此，科学家只能够通过极短的时间来进行测量，这其中，决定速度的因素是多种多样的。但绝非直觉。
脚底的力量
Weyand将腿部运动周期划分为脚在空中以及脚在地面两个部分。前者暂不考虑。早在2000年，Weyand就表示，全速运动中，每个运动员大约花费三分之一秒的时间来抬脚以及落地。他说道：“无论老太太还是博尔特， 这个过程都是一样的。尽管老太太不能够像博尔特那样飞速前进，但在她全力奔跑时，她脚的落地抬起速度却是一样的。”
在空中摆动的时间为三分之一秒，几近于生物极限。Weyand认为，对此，人类提高的空间非常小，但也有例外。南非双截肢运动员Oscar Pistorius，具有人造碳纤维腿，每一条腿的重量少于正常肉质纤维腿重量的一半。由于负荷较轻，移动速度相同时，他摆动腿的速度比正常运动员要快20%左右。尽管对大多数跑步者来说，运动速度主要取决于脚对地面施加的力量。若要跑得更快，有两个选择：第一，对地面施加更大的力；第二，施加更长时间的力。
第二个选择一定程度上解释了为什么灰狗和猎豹奔跑速度极快。借助于柔软的脊椎，他们最大化在地面的时间。当它们前脚着地时，它们的脊柱弯曲并塌陷，因此在落地之前，它们的后半部分有更多的时间停留在空中。继而，它们的脊柱释放压力，为它们前半部分停在空中以及后半部分留在地面创造更多的时间。
这类招数对于两条腿跑步的人类并无大用，但的技术提供了解决方案。20世纪90年代的时候，速度滑冰运动员开始使用一种新的冰刀——“clap冰刀”，这种冰刀鞋的刀片与鞋子的前半部分通过铰链连接，而非原先的固定。当滑冰运动员向后用力时，这种新的设计可以使刀片与冰面接触时间更长，从而施加更多的力。这也创造出新的速滑纪录。
人们试图将这一方式复制于跑鞋，但是，收效甚微。这是因为，跑步中的腿类似于弹簧高跷，当触及地面时，发生弯曲，离开地面时，获得一个弹性回跳。试图改变跑步选手步法的技术，倾向于干扰这种回弹，从而减少腿部的整体性能。Weyand说道：“很难以clap冰刀的形式来改造一个正常的跑步选手。”（之所以Pistorius可以成功，是因为他的人造腿比正常人的腿更有弹性，在地面停留时间比正常选手长20%左右。）
地面的力量
对于有完整四肢的人来说，只有一个选择：对地面施加更大的力。简而言之，就同一体重而言，跑得快的人比跑得慢的人对地面施加更大的力。但我们对于这种力量来源于何知之甚少，我们预测这源于一个跑步选手的自身体质或者运动基础。
我们知道，男性跑步冠军对地面施加的力是其自身体重的2.5倍（大多数人是2倍）。当博尔特的脚着地时，短短几毫秒施加给地面的力是900磅。
Weyand说道：“我们知道静止状态下的力是如何施加于短跑选手，却无法搞清楚运动中的身体是如何给地面施加力量的。” 即使最终由基因兴奋剂技术来提高短跑选手的肌肉力量，我们也无从得知依靠他自身能够跑多快。
研究工作正在进行中，以填补这一空缺。Weyand希望我们在未来5-10年中能够进行更好预测。就在几个月前，墨尔本大学的Marcus Pandy利用计算机模拟短跑运动员，研究表明，相对其他因素而言，小腿肌肉决定了其施加于地面的力量。全速运动时，臀部肌肉变得越来越重要。Hutchinson说道：“也许，在训练短跑选手时，你或许会重点训练，使他真正拥有强壮的小腿。”
然而，就目前而言，任何有关人类速度上限的预测都不灵验。让我们拭目以待博尔特或者其他运动员刷新现有的记录吧。
【本文由人青独家授权中国数字科技馆使用，未经许可请勿转载。商业或非商业使用请联系中国数字科技馆】
京公网安备11010502039775号
