2016 九月號
標頭

第130期電子報  出刊日期:1050914


科學新文摘

 

科學加速飛毛腿

科學家對短跑生物力學 有了新見解,有助於 短跑選手在奧運賽事更上一層樓。

撰文/馬隆(Dina Fine Maron)
翻譯/林雅玲


今年2月的某個星期五早上,正為本屆奧運選拔賽接受訓練的美國短跑冠軍羅傑斯(Mike Rodgers),身體被垂降自天花板的安全背帶綁著,雙腳則踩在特製的跑步機上。「還沒有人掉下來過,但也不是完全不可能!」有人這樣告訴他,羅傑斯面帶微笑正為跑步熱身,不過那天他並沒有完成任何一項標準訓練:在賽道上練跑或在專屬健身房做重訓。相反地,他出現在德州達拉斯一棟小型白色建築裡,大門口的浮雕上寫著「運動表現實驗室」。 


這棟建築位於一家寵物旅館和一間瑜伽教室對面,外觀看來平凡無奇,就像一家數位印刷公司。但近年來,許多短跑運動員例如羅傑斯,都來到這棟隸屬南美以美大學的建築,希望聽取運動科學家韋揚德(Peter Weyand)針對他們跑步技巧的建議,或是擔任受試者幫助韋揚德進行研究。韋揚德長年研究短跑生物力學,破解優秀運動員如何達成破紀錄速度的奧秘,成果廣受推崇。今年巴西里約熱內盧夏季奧運即將到來,他的研究結果甚至被納入美國頂尖短跑運動員的訓練內容。 

整套設備的樞紐是韋揚德特製的跑步機,這台要價25萬美元的跑步機,配有特殊的施力板用來測量跑者在跨步時對地面的施力大小。跑步機的周圍架設了三台照相機,用來拍攝跑者高速跨步的立體影像。羅傑斯希望分析這些數據能帶來洞見,幫助他調整跑步速度,縮短他在100公尺短跑衝刺時的秒數。 

穿上韋揚德要求受試者穿著的跑鞋、彈性纖維上衣和短褲並貼上反光貼紙,羅傑斯開始跑步,他跨大步以時速超過10公里的速度熱身,很快地,他的時速達到將近37公里;在這樣的速度下,他右小腿上的刺青嗶嗶鳥卡通圖案與「捉住我」的字,肉眼已無法看清。跑步機能記錄量測到的即時數據,並自動匯入專用電腦程式進行分析再繪製出動作圖譜。 


韋揚德已量測並記錄120多名跑者,包括12名世界級短跑運動員,這些記錄大大彌補了科學家長期以來對高速移動的生物力學知識的空窗。在他的研究結果出爐之前,對於優秀短跑運動員的普遍看法是,這些短跑運動員特別擅長在跨出下一步前,在空中迅速重新定位四肢。然而這種說法多半來自直覺,並非基於科學證據得出的結論。韋揚德是第一位用科學方法檢驗這個說法的學者,他的研究結果顯示,這個說法是錯誤的,增進短跑速度的關鍵,似乎是完全不一樣的因素,韋揚德表示,新的研究結果能讓短跑運動員的表現更上一層樓。 

 

活動訊息_圖示

用馬拉車繩索怎麼綁?古人苦惱千年——科學史札記(十)

馬兒用來乘騎並不難,只要膽子夠大,懂得馬術,就可以騎在馬背上馳騁。但用來拉車就不那麼簡單,人類大約經歷了三千五百年,才把拉車的問題徹底解決。

馬的身體構造。圖/By Owain Davies – Own work, CC BY 3.0, wikimedia commons.

馬的身體構造。圖/By Owain Davies – Own work, CC BY 3.0, wikimedia commons.

馬的體型不像牛,不能用牛的方式拉車。牛的背部隆起,像天造地設似的,剛好可以套上用彎木頭做成的「軛」,用來拉車十分方便。馬就不行了。馬兒的背部是平的,用來拉車,只能把繩子綁在馬身上。但要怎麼綁呢?這裡面的學問可大了。

「輓馬法」的演變

把繩子綁在馬身上的方法,稱為「輓馬法」。最初的輓馬法,可能把繩子直接套在馬的胸部。這種方法雖然方便,但馬兒跑起來繩子會上下移動,很容易勒住喉嚨。於是人們加以改進,在胸部和腹部各套一條寬帶子,胸帶和腹帶在馬背上交會,輓馬的繩子就綁在交會點上。胸帶被腹帶牽扯著,不容易滑到頸部。這就是第一種可以使用的輓馬法──胸輓法。

胸帶和腹帶在背上交叉的胸輓法。圖/pixabay

胸帶和腹帶在背上交叉的胸輓法。圖/pixabay

不論中西,最初使用的輓馬法都是胸輓法。這種輓馬法雖然不會勒住馬兒的喉嚨,但因力學的關係,效率不高。古埃及、古西亞、古希臘或古羅馬的馬車,車子都很小,通常只坐兩個人,卻要用兩匹馬或四匹馬來拉。中國春秋時的戰車,一律用四匹馬來拉,也只能坐三個人。這時的馬車看起來威風凜凜,其實效率都很低,根本就跑不遠。

胸輓法大約使用了兩千年,人們才發明了胸肩法。新的輓馬法將胸帶降低,肩帶和胸帶在馬腹的兩側交會,輓馬的繩子和胸帶連在一起,這樣就可以降低馬兒胸部受到壓迫,使效率略有提高。在中國,大約到了西漢,舊有的胸輓法就被這種新的輓馬法取代了。

到了魏晉南北朝,中國人又發明了一種高效率的輓馬法,使馬兒的力量提高五倍!過去要用五匹馬拉的車子,現在只要一匹就夠了。新的輓馬法稱為護肩法,只在馬的肩部套上一條寬軟的護肩,輓馬的繩子直接綁在護肩兩側。馬兒拉車的時候,不論怎麼出力氣,都不會壓迫到胸部。

護肩法。圖/pixabay

護肩法。圖/pixabay

這種理想的輓馬法於十世紀傳到歐洲,對交通、運輸發生了深遠的影響。從此歐洲有了長程馬車,人與人的距離拉近了,國與國間的互動增加了,貨物可以運到遠地出售,一些貨物集散地因而發展成城市。有些學者甚至認為,中國人發明的的輓馬法,是促成歐洲興起的原因之一。

「馬鐙」使雙手空下來

除了有效率的輓馬法,馬鐙也是中國人發明的。沒有馬鐙,騎士雙腳懸空,不容易使力,若非騎術特別精湛,很難騰出手來做其他的事。有了馬鐙就不一樣了,人和馬的力量結合在一起,無論馬跑得多快,在馬上掄槍舞劍,或是挽弓射箭,都變得容易得多。

那麼馬鐙是什麼時候發明的?這個問題至今尚無定論。秦始皇陵出土了許多騎士俑,各種馬具齊備,但沒有馬鐙。漢代的出土文物也沒發現馬鐙。目前出土最早的馬鐙,可考的年代為東晉永昌元年(322)或稍後。但也有人認為早在兩漢就有馬鐙,不過缺乏直接證據。

巴約掛毯,作於1070年,圖為其局部。顯示其時騎士皆腳踏馬鐙。

巴約掛毯,作於1070年,圖為其局部。顯示其時騎士皆腳踏馬鐙。

馬鐙發明後,很快就傳到朝鮮,在五世紀的朝鮮古墓壁畫中,已有了馬鐙的記錄。至於馬鐙傳到西方,可能先傳到突厥,大約八世紀輾轉傳到東羅馬,繼而傳播到整個歐洲。有了馬鐙,騎士的馬術可以盡情發揮,也可以穿著厚重的盔甲騎在馬上,為中世紀的騎士制度創立了條件。

英國著名中國科技史學者李約瑟博士評價馬鐙說:「關於馬鐙曾有過很多熱烈的討論,最近的分析研究,表明占優勢的是中國。直到八世紀初期,在西方(指東羅馬)纔出現馬鐙,但是它們在那裡的社會影響是非常特殊的。林恩‧懷特說:『只有極少的發明像腳鐙這樣簡單,但卻在歷史上產生了如此巨大的催化影響。』」李約瑟又說:「我們可以這樣說,就像中國的火藥幫助摧毀了歐洲封建制度一樣,中國的馬鐙卻幫助了歐洲封建制度的建立。」

(原刊《經典》2004 年 2 月號)

文章來源網址:http://pansci.asia/archives/102187


活動訊息_圖示

主  題:古典力學形成的關鍵
日  期:105年9月22日(星期四)13:30~17:10
講  師:國立台灣師範大學姚珩教授
地  點:國立台中第一高級中學。
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2053818

主  題:科學史講座
日  期:105年9月27日(星期二)14:00~17:10
講  師:嚴宏洋教授、趙丰教授
地  點:國立臺灣大學思亮館國際會議廳
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2046087

主  題:自然科學跨領域科學探究與實作工作坊
日  期:2016年9月24日、2016年10月1日
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2049769,詳細內容請參閱https://rcst.herokuapp.com/articles/23

主  題:105學年度指定科目考試試題研討-物理科
日  期:105年10月13日(星期四)午13:30-16:30
地  點:國立臺中第一高級中學
報名方式:網路報名時間:105年9月5日(一)上午9時至9月19日(一)下午5時整。(網址:http://www.ceec.edu.tw
報名密碼:CHANG105(全部大寫,請以此密碼登錄報名)

 
科學活動及演講_圖示

主  題:NASA一場人類冒險
日  期:2016/5/28~2016/9/18
活動網址:http://www.space-event.com.tw/zh-tw/home

主  題:無垠宇宙的追尋---談天文觀測的演進史
講  師:王斌威博士(國立自然科學博物館)
日  期:2016/9/24 星期六14:00 至 15:30
地  點:國立自然科學博物館科學中心地下樓演講廳
報名網址:http://www.nmns.edu.tw/ch/education/about/speech/

主   題:2016科普論壇
報名時間:2016年9月23日 到 9月24日
活動網址:http://2016scipopforum.conf.tw/site/page.aspx?pid=12&sid=1119&lang=cht

主  題:週日閱讀科學大師/工程師報國的孫運璿
日  期:2016-10-02 10:00- 12:00(星期日)
地  點:國立科學工藝博物館南館國際演講廳
活動網址:http://freesci.tw:8090/scholarmatch/page.activityshow.action?id=78

 

 
 

物理學科中心承辦學校為臺中第一高級中學
物理學科中心網址: http://physical. tcfsh.tc.edu.tw/ 
物理學科中心FB粉絲專頁:http://goo.gl/2hDFA3


一、 學科中心提供的服務
  • 教師專業成長相關進修研習
  • 教材教法示例與各類教學資源分享
  • 課程宣導與推廣
  • 學科實務意見蒐集
  • 教師討論網路平台
  • 發行學科電子報
二、 學科中心推動工作
  • 研發及蒐集學科教學資源
  • 培訓學科種子教師
  • 規劃辦理分區或縣市教師增能研習
  • 建置學科教師區域聯繫網
  • 學科中心電子報與網路平台服務
 

 

 


物理學科中心網址: http://physical.tcfsh.tc.edu.tw/
聯絡電話:(04)22226081轉811        email  聯絡信箱:physics@tcfsh.tc.edu.tw
聯絡人: 蔡沛霖