是什么限制了奥运短跑运动员的速度？答案是腿长

科学家们研究了决定动物最大奔跑速度的特性。他们开发的模型解释了为什么人类不能跟上动物王国里跑得最快的短跑运动员。根据这些计算，来自《指环王》的巨型蜘蛛尸罗(Shelob)的最高时速将达到60公里。

　　

东京奥运会赛场上，一个受人关注的项目是男子100米短跑。

顶级人类短跑运动员的跑步速度可以达到每小时45公里。这听起来令人震撼，但实际上与动物王国的短跑成绩相比就不算什么了。它的速度只相当于一只小家猫的最高速度。而猎豹的速度是人类的两倍多(超过100公里/小时)，其他动物，如羚羊(90公里/小时)，甚至疣猪和野兔(略低于60公里/小时)都比人类跑得快。

由Michael Günther博士(斯图加特大学)领导的研究小组调查了这些动物的最高速度所依赖的物理和生物因素。在这个过程中，研究人员对身体设计的重要性做出了全面的回答，比如:“为什么中型动物能达到自然的最高速度?”、“哪些主要特性决定了最大运行速度?”以及“什么特征会限制速度?”

他们理论工作的核心是要克服的推进力和空气阻力的物理平衡，以及推进肌肉的惯性。它们显示了一种改变动物身体结构形状的主要途径，作为身体大小(异速生长)的功能，以适应快速的腿驱动的运动。科隆大学动物研究所的Tom Weihmann博士说:“这条主要路径描述了一个生物体的形状如何随着身体大小的变化而变化，以达到很高的奔跑速度，以及特定的形状如何影响可以达到的最高速度。”

经典的例子是老鼠和大象。大象大小的老鼠根本无法生存，因为它们的骨头会在自身重量下断裂。相对于体重，大象的骨骼更厚更重，腿也更长更直。这些特征使得这种动物体型庞大成为可能。然而，沉重的骨骼和直腿限制了它们的最高速度，它们的速度远低于猎豹——尽管大象的腿要长得多。

然而，最高速度不仅取决于体型，还取决于结构，比如腿的数量和脊柱的灵活性。例如，许多四条腿的哺乳动物能够达到比人类和鸟类等两足动物更高的跑步速度，因为它们可以利用躯干肌肉的推进来飞奔。“然而，如果动物变得太重，即使是更有力的肌肉也无济于事，因为更大的肌肉在最高速度下需要更多时间收缩。”Weihmann解释说。“因此，体重上限超过50公斤后，短跑速度又会开始下降，这与地球上最快的短跑选手猎豹和叉角羚的平均体重相当接近。”

这个模型甚至可以应用于幻想中的生物。例如，电影《指环王》中的巨型蜘蛛 尸罗(Shelob)的最高时速可以达到60公里左右。在人体几何方面，该模型表明，在体育运动中，顶尖短跑运动员已经非常接近他们的最佳速度了。除了特殊的跑步鞋或外骨骼等技术应用，提供延长杠杆或额外的弹性，只有更长的腿或更有弹性的肌腱才能实现更高的速度。

Journal Reference:

Michael Günther, Robert Rockenfeller, Tom Weihmann, Daniel F.B. Haeufle, Thomas Götz, Syn Schmitt. Rules of nature’s Formula Run: Muscle mechanics during late stance is the key to explaining maximum running speed. Journal of Theoretical Biology, 2021; 523: 110714 DOI: 10.1016/j.jtbi.2021.110714