这是我BBC专栏的第九篇文章。我的BBC专栏
2008年北京奥运会上，牙买加短跑运动员尤塞恩·博尔特以9.69秒的成绩跑完100米，创造了新的世界纪录。一年后，在2009年柏林世界田径锦标赛上，博尔特以惊人的9.58秒成绩打破了自己的纪录。随着2012年伦敦奥运会的临近，体育界希望博尔特能够克服近期腿筋的问题，再次发起对短跑纪录的胜利冲击。他可以说是历史上跑得最快的人，但他到底能跑多快呢？这是一个令人惊讶的难以回答的问题，翻阅历史记录也无济于事。伦敦英国皇家兽医学院研究动物运动的约翰·哈钦森说：“人们对统计数据进行了大量的玩弄，并做出了许多预测。我认为研究运动力学的人并不怎么看重这些预测。”问题在于，短跑纪录的进步
以乌龟般的停滞和兔子般的……嗯……冲刺为特征。人们越来越快，但方式不可预测。从1991年到2007年，八名运动员将纪录缩短了0.16秒。博尔特在一年多的时间里就做到了这一点。在2008年之前，数学家雷扎·努巴里
计算出“100米短跑的最终时间是9.44秒”。在博尔特在北京比赛后，他告诉《连线》杂志
，“这个预测可能会稍微下降一点。”剑桥大学的约翰·巴罗（另一位数学家）已经确定了博尔特可以提高速度的三种方式
：起跑更快；在更有利的逆风中奔跑；以及在高海拔地区比赛，那里的空气更稀薄，对他产生的阻力更小。这些技巧可能有效，但它们也有些令人不满。我们真正想知道的是，仅仅通过 flexing 肌肉和 bending 关节，是否就能让运动员在9秒内冲过终点线，而不依赖于环境的馈赠。要回答这个问题，我们必须审视短跑腿部的物理学。这意味着要直接面对未知的领域。“掌握短跑力学比掌握力量或耐力项目要困难得多，”研究跑步科学数十年的南卫理公会大学的彼得·韦兰德
说。相比之下，韦兰德说，我们可以调整骑自行车者的体重、姿势和空气动力学形状，并预测这会如何影响他们在环法自行车赛中的表现。“我们知道，我们获得的表现提升能精确到1%，甚至更小，”他说。“在短跑方面，这是一个黑洞。你没有那种预测性关系。”我们的无知是可以理解的。短跑的性质非常短，所以科学家们只能在有限的时间窗口内进行测量。此外，决定跑步速度的因素也绝非直观。脚部力量韦兰德将跑步者腿部的每个周期分为脚在空中时发生的事情和脚在地面时发生的事情。前者令人惊讶地无关紧要。早在2000年，韦兰德就表明
，在最高速度下，每个跑步者抬起和放下脚大约需要零点三秒。“从尤塞恩·博尔特到奶奶，都一样，”他说。“她跑得没他快，但在她的最高速度下，她重新定位脚的速度是一样的。”在空中这零点三秒——摆动时间——可能接近生物极限。韦兰德认为，人们几乎无法改进它，有一个显著的例外。南非双腿截肢者奥斯卡·皮斯托瑞斯
，他穿着人造碳纤维腿跑步，每条腿的重量都不到正常肢体的一半。由于负重减轻，他可以比健全肢体的跑步者摆动腿部快20%，速度相同。但对大多数跑步者来说，速度很大程度上取决于他们的脚在地面上能施加多少力。他们有两种简单的选择可以跑得更快：加大触地力度，或者在更长的时间内施加相同的力。后一种选择部分解释了为什么灰狗和猎豹跑得如此之快。它们通过柔韧的脊柱最大化了在地面上的时间。当它们的前脚着地时，脊柱弯曲并塌陷，所以它们的后半身在不得不落地之前有更多的时间在空中。然后，它们的脊柱恢复原状，使它们的前半身有更多的时间在空中，后腿有更多的时间在地面上。这样的技巧对我们这样的两足人类来说是不可用的，但技术提供了替代方案。在20世纪90年代，速度滑冰运动员开始使用一种新型的“夹式滑冰鞋”，刀刃与靴子前部铰接，而不是牢固地固定。当滑冰运动员向后蹬时，新设计使他们的刀刃与冰面保持更长时间的接触，从而使他们能够在更长的时间内施加相同的力。速度纪录突然下降。人们试图用跑鞋复制同样的效果，但收效甚微。这是因为跑步的腿部行为有点像一个弹簧跳杆。当它撞击地面时，它会压缩。当它离开地面时，它会获得一些弹性反弹。试图改变跑步者步态的技术往往会干扰这种反弹，并降低腿部的整体性能。“除非搞砸了肢体的其他力学，否则很难以类似夹式滑冰鞋的方式进行干预，”韦兰德说。（同样，皮斯托瑞斯是一个例外，因为他的人造腿比自然腿更有弹性，而且他在地上的时间比其他跑步者长约10%。）地面力对于健全肢体的人来说，还有一种选择：在地面上施加更大的力。简单地说，快人比慢人相对于身体重量更能有力地触地。但我们对是什么导致了这种力量知之甚少，而且我们非常不善于根据跑步者的体格或动作来预测它。我们知道，顶尖的男性短跑运动员触地时施加的力量大约是他们体重的2.5倍（大多数人大约是两倍）。当尤塞恩·博尔特的脚落地时，它会在几毫秒内施加大约900磅（400公斤）的力，并继续推动大约90毫秒。韦兰德喜欢想象一个举重运动员试图单腿下蹲时施加相同的力——他们根本做不到。“我们对静态情况下的力量的了解，比短跑运动员发力的程度低了2倍，”他说。“我们根本无法从身体的运动推断出地面的力。”即使短跑运动员的肌肉最终通过基因 doping 技术
得到增强，我们也无法计算出他们的主人会跑多快。目前正在进行研究以填补这些空白，韦兰德希望在五年或十年内能够做出更好的预测。就在几个月前，墨尔本大学的马库斯·潘迪使用短跑运动员的计算机模拟
表明，小腿肌肉比其他任何肌肉都更能决定跑步者施加在地面的力的大小。在最高速度下，臀部肌肉也变得越来越重要。“也许如果你训练一名短跑运动员，你可以训练他们拥有非常强壮的小腿，”哈钦森说。然而，目前，任何关于人类速度极限的预测仍然是缺乏根据的。要想弄清楚博尔特或其他短跑运动员是否会打破现有纪录的唯一方法就是观看他们比赛。图片来自PhotoBobil
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