跑步力學:摩擦力是跑者加速的來源?

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最多人對跑步技術的誤解是「跑者是利用摩擦力來加速」,或是「穿釘鞋有較大的對地摩擦力,所以可以跑比較快」,或是「推蹬可以產生較大的摩擦力來幫助跑者向前加速」……等。

摩擦力的定義是:「一物體在另一物體表面上滑動或將要滑動時,兩物體在接觸面上會產生阻止相對運動的作用力,此力與運動的方向相反。」

也就是說,它只發生在「腳底」和「地面」,是一種阻止前進的力,應該和加速無關。摩擦力是從重力來的,沒有重力就沒有摩擦力。我們不是靠摩擦力前進的,摩擦力是使跑者能創造更大的前傾角度(這也是釘鞋被設計出來的目的)。試想看看在前傾角度是零的狀況下跑步,不管摩擦力再大「加速度還是零」,在零度前傾下跑步即是原地跑的定義。

若稍微前傾到3度,會開始從原地跑變成慢跑,而且也只能是慢跑,在限定跑者只能前傾3度的情況下,不管推蹬再用力,摩擦力再大都跑不快

尼可拉斯博士在”Pose Method of Triathlon”這本書中很清楚地把跑步時作用在身體上的力量定義清楚,分別是:

  • 「重力」 (Gravity)
  • 「地面反作用力」(Ground Contact Time)

 67833_摩擦力是跑者加速的來源_徐國峰-1

【圖】摘自Pose Method of Triathlon, p343

這兩股力在不同的前傾角度下,分別會產生垂直分力和水平分力。「地面反作用力」的「水平分力」(簡稱GRh)會隨著前傾角度的增加而分配到愈多分力,一直到角度45度時可達最大,但45度之後會開始下降,下圖所呈現的正是跑者在不同的前傾角度下,所面對的地面反作用力之垂直分力與水平分力大小,在45度時水平分力達到最大。

從圖中也可看到角度愈小,垂直分力愈大,大家應該可以想像在在原地跑時,地面反作用力全都是垂直向上。

67833_摩擦力是跑者加速的來源_徐國峰-2

【圖】【圖】摘自Pose Method of Triathlon, p345

PS 但因為重力的干擾,人體是無法在跑步時前傾到45度,最大只能到22.5度。(這件事情在書中343~346有詳細的說明,在此不詳述)

【跑步迷思:摩擦力是向前跑的推動力?】

不少人問到所謂的「腳掌扒地」的跑法,今天在上海世紀公園有某位小姐很激動說:「田徑場上的教練教的是腳掌落地後用力往後扒,利用磨擦力與肌力向前進。」

博士反問這些人說:「你有辦法在冰上用扒地往後跑嗎?」

她說:「應該不行…」

博士說:「不是應該,是絕不可能。」

博士接著問:「那你覺得在冰上可以跑步前進嗎?」

她說:「不可能吧」

博士說:「當然可以,只要有重力,就有體重,只要有體重與支撐你就能向前跑。磨擦力並非你向前跑的原因,而是地心引力。」

下面為尼可拉斯.羅曼諾夫博士親身示範冰上的姿勢跑法。

博士說:「在冰上跑最能練到技術,只要你一向前跨步、推蹬、扒地,就會跌倒。在冰上你的腳掌必須剛好落在重心正下方才行,不然就會摔得很慘!」
博士每次演講都會引用老子和莊子的哲學核心:「順應自然」。他說科學就是從自然中發現真理,移動的真理就是重力,沒有重力就無法移動,所以他一再地提到:「不要用肌肉跑步,肌肉只是用來支撐體重與利用重力的工具。是重力使你移動,而非肌肉。」

 

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【國峰的水中練功日記】 2005 擔任國立清華大學游泳隊隊長(大學期間加入游泳隊之後,從此深深著迷於耐力運動的世界) 2006 畢業於國立清華大學化學工程學系,輔系 ─ 外國語文學系 2007 開始從事鐵人三項訓練 2008 以十七天跑步環台1017公里的行動為世界展望會──飢餓三十募款 2009 畢業於國立東華大學中文研究所,隨後入伍。退伍後定居於花蓮,從事寫作與鐵人三項訓練。 2011 起擔任國立東華大學鐵人三項代表隊教練 2012 起擔任國立東華大學兼任講師 2012 起成為國際菁英鐵人隊Featherlight TriTeam的六位隊員之一 著有:《鐵人三項》(2010,臉譜出版)、《先秦儒家水意像析論》(2011,花木蘭出版)。《在水裡自由練功》(2012,臉譜出版)。譯有:《跑步該怎麼跑》(2011,臉譜出版) 個人部落格:rocky549.blogspot.tw 跑步環台部落格:dhtriteam.blogspot.tw 近年比賽成績 2012 泰國羅永鐵人三項國際錦標賽 總排第一名 2012 洄瀾國際鐵人三項精英賽 總排第二名 2012 台南國際鐵人三項競賽 M25組 第一名 2011 福隆泛舟鐵人男子全程組 總排第二名 2011 台東半程超級鐵人賽(113km)總排第 第三名 2010 Ironman Taiwan 70.3 M25組 第三名(世界錦標賽資格) 2010 台東半程超級鐵人賽(113km)總排第 第三名