近代的競技運動一直朝體能與力量訓練發展。但每個人的體能與力量都有其極限,不可能無止盡的成長,因此若運動員想要再提升運動表現就必須提升技術。從工程的角度來思考:這就像是在有限的資源下如何打造出一臺移動最有效率的機器人一樣?每個工程師都會回答:軟體。一個機器人的「軟體」就是一位跑者刻意訓練出來的「技巧」。運動員的體能與力量當然很重要,但它們是有限的資源(因為我們無法像機器人一樣換零件),想要提升運動表現的關鍵在於用更好的技巧來提升相同的生理資源的使用效率。

那何謂更有效率的技術,這是運動生物力學要解決的問題。

「運動生物力學」最主要的理論基礎是架構在三個不同領域─力學、骨骼肌肉解剖學、神經肌肉生理學,由於人體運動的研究領域不斷的擴大,相關力學原理所扮演的角色也相繼提高。「運動生物力學」的研究可以說是所有運動科學研究中起步較晚的學科。

在運動生物力學的教科書裡面只談各種力的「現象」(像陸地上的磨擦力、地面反作用力、科氏力、慣性與肌肉力量;流體中的白努利定律、軸流理論等),但這些只談了運動中的現象,卻沒有談到「人是如何移動?」這個核心的問題。換個問法:「我們該如何『定義』各種移動模式?」「是否有某個最高層的邏輯可以定義人類所有運動項目的移動方式?我們假設有的話,是什麼?」

衝刺者

運動時我們常說力量很重要,我們可以來思考一下力量(Force)的界義與類別,透過定義與分類,我們比較能夠瞭解「力量」跟「移動」之間的關系。

力量 (Force),在物理教科書上的定義是:“The magnitude of Interaction between material bodies.” 

我轉譯成:「物體之間相互接觸時互相作用的強度大小。」關鍵詞的是「相互接觸」,以運動所關註的人體來說:

#身體裡各部位是互相接觸所產生的力量可被稱為「內力」(Internal Force)

#身體與外界互相接觸的力量被稱為「外力」(External Force)。

像是我們把拳頭靠近自己肩膀的動作,肱二頭肌會用力收縮,這當然有用力,肌肉像是橡皮筋,它之所以能用力,是它在兩端都有固定才能透過收縮與放鬆產生力量,以肱二頭肌來說,這塊肌肉連接處是手肘與肩膀。也就是說「肱二頭肌」這個身體的部位分別與「手肘」與「肩膀」互相接觸,因此在不同收縮力道下有了不同強度的力量。但這是內力,因為互相接觸的部位在身體內部。

關於「力」的界義,在物理上有一個很重要的結論:「不管任何運動,四肢的動作都只是內力。只有外力能移動身體。」肌肉所產生的收縮力是「內力」,它並不是移動身體(使我們能向前跑)的主要力量來源。能使我們移動的是「外力」。回到「相互接觸」這個關鍵詞,在跑步時與我們互相接觸的物體是「地面」,因此跑步時使推動我們前進的「外力」的大小即是「人體與地面之間相互接觸時互相作用的強度大小。」

這個力來自何方呢?

答案是「重力」。但重力這個詞當會使人誤會。因為重力不是力,重力是會帶來「加速度」的一種還沒有人可以定義清楚的現象。地球上的重力加速度是9.8m/s2,重力向下加速任何靠近地球的物體,包括人體。人體支撐在地面上時,支撐腳下若有一個體重計,這個體重計所顯示的數值就是重力把人體往下拉的「力量」大小,「體重」才是「Force」,記得我們之前對「Force」的定義嗎?「物體之間相互接觸時互相作用的強度大小。」體重,是人體與地面互相作用力的大小,它是外力。

外力的根源是體重(Body Weight)

上面這句話可能會讓許多人摸不著頭緒,但仔細一想就會知道我們能夠運用的力,是從體重來的。體重=身體的質量×加速度(F=ma)。加速度可以是人為創造的,比如說65公斤的我坐在椅子上,50公斤的體重支撐在椅子上,此時腳下的體重計數值只有雙腳的重量15公斤,那我可不可以讓體重計上的數值增加到65公斤?可以的。我坐在椅子上把腳舉起來,再「快速」往下踩體重計。關鍵在這個「快速」,下踩的加速度愈大,雙腿的質量(m)所產生的力(F)就愈大,這個力其實就是體重。但千萬不要踩太多下,可能不只體重計壞了,你的腿也跟著壞了。因為下踩加速的動作是人為創造出來的。「人為」創造出來的加速度所產生出來的外力是造成受傷的主要原因。我們要學會利用的是「自然」創造出來的加速度。

加速度

自然創造出來的加速度就是重力加速度 G。重力加速度 G,使我們產生了自然的體重。體重是我們與地面互相接觸時的「外力」,它不會是一個定值,而是一個變化量。當我們站在體重計上不動時,體重是固定的沒錯,但當我們擺動手臂、開始上下跳動或原地跑,體重計上的數值就會一直改變。而下肢肌肉的主要任務之一就是去支撐不斷變化的體重。慢跑時腳掌落地所產生的最大地面反作用力是1.5~2倍體重,但當跑者在衝刺時,地面反作用力會達到三倍體重。

當我們說「用力」時,其實必須有在支撐點上有「體重」才有力可用;換句話說,運動員可用的「力」是從「體重」來的,而體重是從重力來的(體重也可以從肢體所具有的質量加速時所產生)。從牛頓第二運動定律來說,力 = 質量 × 加速度(F=ma)。m 是質量,而a可以是重力加速度,也可以是肢體擺動時的加速度(例如投擲時手臂加速擺動)。

換句話說,失去重力,等於失去「外力」,人體將無法在地面上向前移動。想象一下在無重力的外層空間,不管四肢如何用力(四肢用力是『內力』),皆只能移動肢體或讓身體繞著身體的質心旋轉,而無法移動質心分毫。

除非有另一位太空員從旁推你一下(外部力量),移動才會發生,但這種外力只有一次,因為推完後就無法再自由移動了。在地球表面,我們能不斷與地面互相支撐,移動才能持續發生,也之所以如此才能自由移動。

再談回跑步,我們之所以會前進是因為身體的重心轉移到支撐腳的前方,所以失去平衡才會向前,身體之所以會失衡,是重力造成的。重力,是外力來源。沒有它,我們無法移動。我們跑步的加速度也是從重力(Graivity)加速度分配過來的,因此在月球上,當重力只剩下地球的六分之一時,跑步的加速度也會變慢。

國峰系統


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