頂級短跑運動員的跑步速度往往可以達到約45公里/小時，然而這些人類中的”飛人”們與動物王國的四腿哺乳動物相比，只跑出了相當於家貓的最高速度。

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更不用提其他動物短跑健將們，獵豹的短跑速度最高能達到超過100公里/小時，約為人類奧運冠軍的2倍，羚羊可達到90公里/小時，甚至連疣豬和野兔都能跑出約60公里/小時的速度，遠遠超過人類的百米飛人們。

為什麼這些四條腿的哺乳動物可以跑得比人類快這麼多？ 僅僅因為它們比我們多了兩條腿嗎？

近日，德國科隆大學（University of Cologne）的研究人員開發出一款生物力學模型，可以計算出任何有腿動物的最大奔跑速度，從而揭開了這些動物”飛人”能夠高速奔跑的秘密。

研究人員通過嚴格的數學函數，納入空氣阻力（與地面水準反作用力達到平衡）與腿部幾何解剖結構等物理學與生物學因素，考慮了體型、腿長、脊柱活動等多種身體結構特徵，開發了這款生物力學模型。

首先，研究人員發現，多兩條腿的確有助於提高奔跑速度。 從物理角度看，動物的任何一條腿在著地時都會不可避免地經歷機械能損耗。 而如果多條腿與地面接觸，一條腿的能量損失可以通過另一條腿的功來補償，並且可以通過不同腿的合作，連續與地面接觸以維持速度穩定。

其次，動物的體重會影響它們的奔跑速度。 隨著體重增加，動物奔跑時所受到的空氣阻力就越高，並且肌肉加速到高向心收縮率所需的時間隨其品質急劇增加。 向心性肌肉收縮力學（concentric muscle contraction mechanics）是影響動物奔跑的重要因素，跑步速度一般隨收縮肌纖維的長度變化率而增加。

此外，動物奔跑的最高速度還取決脊柱的靈活性、腿長等因素。 例如，許多四足哺乳動物能夠利用它們的軀幹肌肉進行快速收縮推進，得以”飛馳（gallop）”。 然而，如果動物變得太重，即使是更強大的肌肉也無濟於事，因為更大的肌肉需要更多的時間以高速收縮。

經典的例子是老鼠和大象。 一隻大象大小的老鼠根本不可能存活，因為它的骨頭會在自身重量下斷裂。 相對於它們的體重來說，大象的骨骼更厚更重，腿也更長更直，這些生物特徵使大象能夠擁有巨大的體型。 但是沉重的骨頭和難以彎曲的腿同時也限制了大象的奔跑速度，儘管它們的腿比獵豹長得多，在步幅上擁有優勢。

在人體幾何學方面，該模型表明，頂級短跑運動員們已經非常接近他們身體結構所能達到的最佳速度。 除了外骨骼裝備或特殊跑鞋等外用技術，以延長有效彈簧或提供額外的彈性，只有更長的腿或更有彈性的肌腱才能讓運動員擁有更高的速度。

換而言之，我們的健兒們已經在人體力學範圍內通過不懈的訓練，達到了他們的速度極限，值得我們欽佩併為之喝彩！

參考資料：

[1] Günther， M。 ， et， al。 （2021）。 Rules of nature’s Formula Run： Muscle mechanics during late stance is the key to explaining maximum running speed。 Journal of Theoretical Biology， 523， 110714。 https：//doi.org/10.1016/j.jtbi.2021.110714

[2] Why four-legged animals are better sprinters。 Retrieved July 23， 2021， from https：//www.sciencedaily.com/releases/2021/07/210723105319.htm

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