跑步究竟是克服重力还是利用重力?用物理学把这个事情解释明白

跑步究竟是克服重力还是利用重力?用物理学把这个事情解释明白

首页体育竞技物理跑酷更新时间:2024-04-27

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最近看到一个短视频,是一位跑步人士给樊登读书会发起人,中央电视台节目主持人樊登讲如何跑步?

这位跑步人士给似乎不太懂跑步的樊登说:“跑步用什么力?

用的是重力,跟身体的力没有关系,什么速度下最快,被身体绊倒时最快,身体噌噌噌就出去啦!”

樊登好像若有所悟。

OMG!

能别那么搞笑吗?你倒是给我演示一下一直被绊倒身体,一直往前跑呀!

一些国外的跑步方法也一直宣扬:通过身体前倾来利用重力,并通过双脚不断支撑转化,源源不断的利用重力,似乎这样就不需要发力你就可以往前跑了;

跑步究竟是克服重力还是利用重力呢?

这个问题必须要解释明白了。

一、先理解走和跑的区别

走和跑同属于双脚交替运动,为什么跑比走累得多?

道理当然很简单,走路时始终有一只脚在地面支撑,支撑什么,当然是支撑体重,而跑步存在双脚同时腾空期,怎样才能腾空,蹬地发力才能腾空,也就是说你需要足够的力量才能让身体克服重力腾空。

腾空之后还得缓冲落地,缓冲过程同样需要肌肉收缩,这也是一个耗能的过程,这就造成了跑步的强度远远大于走路,之所以强度大,是因为跑步需要克服重力双脚腾空,腾空之后还得缓冲落地。

所以,说跑步是一项克服重力的运动,这句话,没毛病,跑步之所以累,是因为我们需要不断克服地心引力。

二、跑步能不能利用重力呢?

跑步利用重力又是怎么一回事呢?

如果以脚为支点,身体整体向前倾倒,的确重力作用会使得身体加速向前倒,为了防止“跌个狗吃屎”,你自然就会迈出脚防止跌倒;

如果你的躯干一直是前倾的,你就得不断迈出脚来防止跌倒,这样就使得身体向前运动了,于是就形成了双脚不断支撑转换的跑步动作。

看上去这个说法似乎挺有道理。

有人还用一个球体在地面如何滚动起来,来形象地展示球是如何运动起来的;

也即,把球体放在一个平面上,球体是稳定的,而如果要让球运动起来,要把球放在斜面上,球就会顺着重力往下滚动起来。

而如果地面是平的,人体只要前倾,重心前移,带动重心向前迈步,人体就跑起来了,如果把人体脚的运动想象成球体运动,似乎只要迈腿,人就会利用重力跑起来,还不费吹灰之力,这就是所谓的跑步利用重力。

这里犯了一个重要的逻辑推导的错误

✘ 人体运动并非球体运动,人体前倾所引发的运动跟球体在斜面运动是两回事,并不能这样直接推导。

举个例子,走路时身体就是基本直立的,走路时我们没有利用重力,既然跑步能利用重力,跑步就应该比不能利用重力的走路更轻松,但谁都知道走路永远比跑步轻松。

这就矛盾了,跑步能利用重力,走路不能利用重力,利用重力的跑步只会比不能利用重力的走路更累,说明利用重力并不会让跑步更轻松!

从物理学来看,走跑运动并不是依靠重力作用,而是依靠蹬地时人对地面产生向后下方的作用力,地面给予人体向前上方的反作用力推动人体向前运动。

如果作用力只是垂直向下,那么我们的运动方向就是垂直向上,比如跳起,而如果作用力是向后下方蹬地,那么自然反作用力就是朝前上方,从而让我们得以往前运动,同时还伴随重心起伏。

三、身体前倾究竟是利用重力还是利用了别的什么

显然,跑步时身体前倾并不是利用重力,但跑步时身体适度前倾仍然是需要的,为什么?

身体适度前倾的主要目的有:

第一、减少风阻;

第二、身体前倾可以获得生物力学优势,更有效地蹬地发力。

身体前倾可以减少迎风面,达到减少风阻的目的,更为重要的是通过身体前倾,为下肢发力创造了良好条件;

如果身体是直立的,下肢要产生推动人体向前的动力,势必要加强腿的后蹬,否则就变成垂直向下发力,这样人就变成往上跳而不是往前跑,而通过身体前倾,下肢不用过度后蹬,就可以产生往前的动力。

从力学上分析:

根据力的分解与合成原理,蹬地发力时,地面给予人体一个大小相同,方向相反的反作用力,这个反作用力可以分解为垂直分力和水平分力;

从生物力学角度而言:

水平分力越大,垂直分力越小,人体往前的动力就越大,重心起伏就越小,而通过身体前倾就可以达到这样的目的,这才是身体前倾的真正意义所在,而不是什么利用重力理论。

四、如果身体前倾是利用重力,那么前倾越明显,岂不是利用重力越多

如果身体前倾是利用重力,自然产生向前的动力,那么从理论上说,身体前倾越明显,利用重力的效果岂不是越好,而实际经验告诉我们,跑步时身体只要轻微前倾就可以;

如果你真的刻意往前倾,那么你马上就必须把你的跑步速度加快,步频加快,才能配合上明显前倾的身体。

大家都知道,现在短跑都是采用蹲踞式起跑,而不是站立式起跑,其根本目的是在于蹲踞式起跑可以获得更大的水平向前的地面反作用力;

而站立式起跑所获得的水平反作用力小得多,这样,通过蹲踞式起跑运动员就能获得更大的初速度和加速能力。

但在加速过程中,运动员会逐渐抬起身体,也即身体前倾幅度会逐渐变小,直至逐渐直立,为什么短跑运动员不一直维持一个很大的身体前倾角度来持续获得重力呢?

因为身体前倾越大,重力所产生的以脚为支点的转动惯量就越大,人体为了防止旋转,就不得不拼命加快步频,来支撑身体,对抗重力,防止身体跌倒。

也就是说,身体前倾越多,恰恰不是利用重力,而是你要花更多过力气来对抗重力,防止跌倒。

所以跑步时身体前倾角度并非越大越好,大约10-15度就足够了,这样一个前倾角度,既能够达到减小风阻,有利于后蹬发力的目的,又不会导致身体前倾过大而不得不刻意加快步频来支撑身体,防止跌倒。

事实上,测试也发现,随着速度加快,身体前倾角度并没有随之极大,但速度加快后,腿的前摆和后蹬幅度都加了,因为更加用力了。

6:00躯干前倾角度

4:00躯干前倾角度

五、跑步要做的如何将重力影响减至最小,这种技能是可以训练的

跑步由于伴随蹬地腾空,这就需要比走路大得多的力量才能实现,这也是为什么跑步比走路累的根本原因;

因此,跑者要做的是如何将重力对于跑步的影响减至最小,怎样才能减小重力影响呢?

那就是减少腾空高度,也即减小重心起伏。

在同等速度下,步频越慢,步幅就越大;

步幅越大,往往意味着身体重心起伏就越大,跑步是水平方向运动,把过多能量消耗在垂直方向克服重力方面,大大降低了跑步经济性。

而如果提高步频。每分钟步频在170-180步左右时,同等速度下,重心起伏会减小。

重心起伏越小,克服重力做功就越少,也就实现了将重力的影响减至最小。

在一些跑步可穿戴设备比如佳明手表,有一个指标——垂直振幅,其反映的其实就是腾空高度,也即重心起伏。

如果重心上下起伏过大,就把跑步变成上下运动,而克服重力做功会增加大量的体力消耗,所以我们希望跑者能够贴地飞行,就是这个意思。

因此,在佳明跑姿垂直振幅这个参数中,其要求越小越好,如果垂直振幅小于6.1厘米,代表你是最优秀的5%的那部分跑者;

如果垂直振幅介于6.1-7.4厘米,你则属于前30%的跑者,大部分跑者介于7.5-8.6厘米之间;

如果垂直振幅大于8.7厘米,则说明重心起伏过大,这样的跑姿非常不经济,所以用红色或者橙色表示。

垂直振幅与步频高度相关,如果你在跑步时步频较慢,通常情况下意味着步幅较大,也即跨大步跑;

跨大步跑时身体重心起伏大,费力不经济,所以如果你在垂直振幅这项参数上,显示为红色或者橙色,你需要再去看看你的步频颜色;

如果仍然是红色或则橙色,你需要加快步频,步频加快后,身体重心起伏也会有所改善。

垂直比是用垂直振幅除以步幅,如果身体重心起伏越小,步幅越大,一方面代表你的速度越快,另一方面代表你的跑姿越流畅轻盈;

也就是说你用较小的身体重心起伏实现了大步幅,而如果垂直振幅大,步幅小,就是典型的跳着跑;

而如果垂直振幅大,步幅也大,则说明你需要在保持步幅的情况下增加步频,减少身体重心起伏。

这个参数如果小于6.1%,表明你是最优秀的5%的跑者;

如果介于6.1-7.4%之间,则是较为优秀的30%的跑者;

如果大于8.7%,则表示你是最差的30%那部分跑者。

大家看看格布雷西拉西耶的跑姿,就理解什么叫做重心起伏小,步幅大,最佳垂直振幅比了。

六、身体前倾是自然习得的,往往并非学来的

身体前倾需要学习吗?

从严格意义上说,是需要学习的,学习的目的不仅仅是让跑者理解跑步时身体前倾的目的以及动作要领;

更要让跑者掌握身体前倾只是一个技术环节,身体前倾需要与其他动作环节有效配合。

但身体前倾作为跑姿的一部分,也许大部分跑者跑起步来本来就是就会自然前倾。

七、为了刻意身体前倾,一些跑者变成了错误的躯干前探含胸弓背

一些跑者没有理解身体前倾的真正含义,为了前倾而前倾,导致出现躯干前探和含胸弓背这样的错误跑姿,反而导致腰背压力增加。

其实真正的身体前倾是指整个躯干部位,而不是上半身往前,含胸弓背。

这也反映出一些跑者为了刻意模仿某种跑姿,而导致身体局部紧张。

八、总结

跑步时身体适度前倾可以获得减少风阻,有利于蹬地等力学效应,但把身体前倾视作利用重力,并大肆忽悠跑步是利用重力的运动,你不会身体前倾,利用重力,所以跑不快,这就是在偷换概念,胡说八道!

跑步本质仍然是一项克服重力的运动,我们要做的是减轻体重,发展力量,这样可以提高克服重力的能力,另一方面则是减少重心起伏,这可以通过小步快跑的方式来实现。

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