第六章｜跑步加速的「力量」从何而来？

近代的竞技运动一直朝体能与力量训练发展。但每个人的体能与力量都有其极限，不可能无止尽的成长，因此若运动员想要再提升运动表现就必须提升技术。从工程的角度来思考：这就像是在有限的资源下如何打造出一台移动最有效率的机器人一样？每个工程师都会回答：软件。一个机器人的「软件」就是一位跑者刻意训练出来的「技巧」。运动员的体能与力量当然很重要，但它们是有限的资源（因为我们无法像机器人一样换零件），想要提升运动表现的关键在于用更好的技巧来提升相同的生理资源的使用效率。那何谓更有效率的技术，这是运动生物力学要解决的问题。

「运动生物力学」最主要的理论基础是架构在三个不同领域─力学、骨骼肌肉解剖学、神经肌肉生理学，由于人体运动的研究领域不断的扩大，相关力学原理所扮演的角色也相继提高。「运动生物力学」的研究可以说是所有运动科学研究中起步较晚的学科。

在运动生物力学的教科书里面只谈各种力的「现象」（像陆地上的磨擦力、地面反作用力、科氏力、惯性与肌肉力量；流体中的白努利定律、轴流理论等），但这些只谈了运动中的现象，却没有谈到「人是如何移动？」这个核心的问题。换个问法：「我们该如何『定义』各种移动模式？」「是否有某个最高层的逻辑可以定义人类所有运动项目的移动方式？我们假设有的话，是什么？」

运动时我们常说力量很重要，我们可以来思考一下力量（Force）的界义与类别，透过定义与分类，我们比较能够了解「力量」跟「移动」之间的关系。

力量 (Force)，在物理教科书上的定义是：“The magnitude of Interaction between material bodies.”　我转译成：「物体之间相互接触时互相作用的强度大小。」关键词的是「相互接触」，以运动所关注的人体来说，身体里各部位是互相接触所产生的力量可被称为「内力」(Internal Force），身体与外界互相接触的力量被称为「外力」(External Force)。像是我们把拳头靠近自己肩膀的动作，肱二头肌会用力收缩，这当然有用力，肌肉像是橡皮筋，它之所以能用力，是它在两端都有固定才能透过收缩与放松产生力量，以肱二头肌来说，这块肌肉连接处是手肘与肩膀。也就是说「肱二头肌」这个身体的部位分别与「手肘」与「肩膀」互相接触，因此在不同收缩力道下有了不同强度的力量。但这是内力，因为互相接触的部位在身体内部。

关于「力」的界义，在物理上有一个很重要的结论：「不管任何运动，四肢的动作都只是内力。只有外力能移动身体。」肌肉所产生的收缩力是「内力」，它并不是移动身体（使我们能向前跑）的主要力量来源。能使我们移动的是「外力」。回到「相互接触」这个关键词，在跑步时与我们互相接触的物体是「地面」，因此跑步时使推动我们前进的「外力」的大小即是「人体与地面之间相互接触时互相作用的强度大小。」

这个力来自何方呢？

答案是「重力」。但重力这个词当会使人误会。因为重力不是力，重力是会带来「加速度」的一种还没有人可以定义清楚的现象。地球上的重力加速度是9.8m/s2，重力向下加速任何靠近地球的物体，包括人体。人体支撑在地面上时，支撑脚下若有一个体重计，这个体重计所显示的数值就是重力把人体往下拉的「力量」大小，「体重」才是「Force」，记得我们之前对「Force」的定义吗？「物体之间相互接触时互相作用的强度大小。」体重，是人体与地面互相作用力的大小，它是外力。

外力的根源是体重（Body Weight）。

上面这句话可能会让许多人摸不着头绪，但仔细一想就会知道我们能够运用的力，是从体重来的。体重=身体的质量×加速度（F=ma）。加速度可以是人为创造的，比如说65公斤的我坐在椅子上，50公斤的体重支撑在椅子上，此时脚下的体重计数值只有双脚的重量15公斤，那我可不可以让体重计上的数值增加到65公斤？可以的。我坐在椅子上把脚举起来，再「快速」往下踩体重计。关键在这个「快速」，下踩的加速度愈大，双腿的质量（m）所产生的力（F）就愈大，这个力其实就是体重。但千万不要踩太多下，可能不只体重计坏了，你的腿也跟着坏了。因为下踩加速的动作是人为创造出来的。「人为」创造出来的加速度所产生出来的外力是造成受伤的主要原因。我们要学会利用的是「自然」创造出来的加速度。

自然创造出来的加速度就是重力加速度G。重力加速度G，使我们产生了自然的体重。体重是我们与地面互相接触时的「外力」，它不会是一个定值，而是一个变化量。当我们站在体重计上不动时，体重是固定的没错，但当我们摆动手臂、开始上下跳动或原地跑，体重计上的数值就会一直改变。而下肢肌肉的主要任务之一就是去支撑不断变化的体重。慢跑时脚掌落地所产生的最大地面反作用力是1.5~2倍体重，但当跑者在冲刺时，地面反作用力会达到三倍体重。

当我们说「用力」时，其实必须有在支撑点上有「体重」才有力可用；换句话说，运动员可用的「力」是从「体重」来的，而体重是从重力来的（体重也可以从肢体所具有的质量加速时所产生）。从牛顿第二运动定律来说，力=质量×加速度（F=ma）。m是质量，而a可以是重力加速度，也可以是肢体摆动时的加速度（例如投掷时手臂加速摆动）。

换句话说，失去重力，等于失去「外力」，人体将无法在地面上向前移动。想象一下在无重力的外层空间，不管四肢如何用力（四肢用力是『内力』），皆只能移动肢体或让身体绕着身体的质心旋转，而无法移动质心分毫。

除非有另一位航天员从旁推你一下（外部力量），移动才会发生，但这种外力只有一次，因为推完后就无法再自由移动了。在地球表面，我们能不断与地面互相支撑，移动才能持续发生，也之所以如此才能自由移动。

再谈回跑步，我们之所以会前进是因为身体的重心转移到支撑脚的前方，所以失去平衡才会向前，身体之所以会失衡，是重力造成的。重力，是外力来源。没有它，我们无法移动。我们跑步的加速度也是从重力（Graivity）加速度分配过来的，因此在月球上，当重力只剩下地球的六分之一时，跑步的加速度也会变慢。