跑步水平上不去？你可能还需要这些物理知识，请收好

　　生活中处处有物理，物理中处处有生活。不知道大家有没有这样的印象，每个跑步教程都是在教你怎么摆臂、摆腿、如何落地、如何呼吸。可是你知道为什么要这样吗？老郭今天就跟大家聊聊跑步中的那些物理知识，知其然，更知其所以然，助你快速提升跑步水平。
　　可能有小伙伴会疑惑，老郭，你一个学物理的怎么懂跑步？这里剧透一下，我初中学校有两块牌子，其中一块是XX市田径运动学校，当年那个培养出世界冠军的马俊仁是我的体育老师，别的学校间操是广播操，而我们是跑步，我的同学曾包揽世界中学生田径运动会女子中长跑的前三。
　　书归正传，先来看一下影响跑步的力
　　1、内力与外力
　　分析跑步运动，不能把人作为一个整体看做质点，而是应该把人看做一个质点系。对于整个质点系来说，受到的外力就是地面的支持力、重力、地面的摩擦力和空气阻力。
　　由于跑动过程中，人体的各个部分要发生相对位置变化，也就是说质点系中的质点会发生相对位移，这个位移是由于保持跑步动作产生的，由肌肉提供动力，这个力就是内力。
　　2、垂直方向上的力
　　包括重力和地面的支持力。跑步是一个跳跃前进的过程，当身体在神经的控制下利用内力（肌肉的力量）做出一个蹬踏地面的动作之后，地面的支持力与重力的合力，给人体这个质点系一个向上加速度，合力越大，跳起的高度就越高。
　　3、摩擦力
　　脚蹬踏地面的时候，就会与地面之间产生摩擦力。我在前文《科普：你走路的样子很＂物理＂ 》中介绍过，走路过程中，摩擦力非常重要，它虽然不做功，但是提供了人体内部改变肢体运动时候的冲量。没有摩擦力，你就走不了路，当然也跑不起来。
　　但跑步和走有一个区别，就是如果跑步的时候前腿的落点在重心投影的前方，会产生一个阻碍系统前进的摩擦力，所以正确的跑步动作中，要求前脚的落点在重心的正下方。
　　4、空气阻力
　　走路的时候，如果不是迎着强风，空气阻力很微小，几乎可以忽略不计，但是跑步的时候，空气阻力就是一个不可忽视的因素，空气阻力永远都是一个阻碍跑步速度的力，速度越快空气阻力越大，其大小与速度的平方成正比，所以短跑时候的空气阻力是中长跑的几倍。说完了力，我们再谈谈惯性
　　所谓的惯性就是物体保持原来运动状态的能力，包括平动惯性（用质量度量）和转动惯性（转动惯量）。人体作为一个质点系，不同部位的运动方式不同，所以惯性和转动惯性的影响也不一样。
　　在跑动过程中，人体的运动可以分解为4个运动的合成，垂直方向的上抛落体运动、前进方向上的直线运动、沿着身体竖直中线的旋转运动、身体的的左右摆动。
　　要想做出一个正确的跑步姿势，肌肉就必须在神经系统的协调下，控制不同的部位做出相应的动作。而这些动作都需要克服不同部位的惯性才能做出，所以惯性的影响非常大，这也是为什么跑步姿势不对，会感觉非常累的原因，内部消耗太大了。
　　有了前面的基础，现在可以说一下什么是正确的跑步姿势了
　　别人教你跑步可能都是先说腿，但我要先说摆臂，因为摆臂是跑姿的真正核心，是跑步的控制器，是跑步的节能系统。
　　短跑有一种原地步频训练，就是在原地做出跑步动作，随着击掌的频率不断提高步频，你会发现只有提高摆臂频率，腿的频率才能跟上来，所以步频其实是靠摆臂来控制的。
　　摆臂的另外一个作用是平衡和节能，它的作用是为了平衡送髋。很多跑步教程都强调送髋这个动作，这个动作能增加步幅，从而增加跑步速度。但如果你做一个送髋动作试试，会发现，下身绕身体的竖直中轴发生了一个旋转。两腿交替，下身就做出一个交替旋转。
　　前面我们说了，旋转要克服转动惯性，需要给旋转这部分身体一个外力矩，而摆臂恰好让另外一部分身体向相反方向旋转，这样对于人的整体来说，就可以产生一个尽可能小的合力矩，不需要脚与地面摩擦来提供。正因为如此，摆臂不仅仅是让跑步动作好看，同时也减少了额外的能量消耗。
　　如果把胳膊固定，你会发现想跑起来很困难。跑步的时候，依靠脊椎的灵活转动，摆臂配合下肢形成一个非常协调的动作，跑起来才轻快。这就是为什么跑步需要人有良好的协调性的原因。
　　说完了胳膊（摆臂），现在可以说说腿了。前面我们提了一句，前腿的落点要在重心的正下方。如果前腿落点太靠前，你会感觉到，脚在接触地面的瞬间受到一个向后的摩擦力，这会对人这个质点系产生一个向后的冲量，从而降低跑步的速度。
　　前腿落地后，开始向上向后蹬踏地面，地面给人向前的摩擦力产生向前的冲量，而向上的力则使人腾空跃起。我们知道，向上的力，对跑步的速度没有直接贡献，所以如果垂直分力过大，会导致整个跑步过程中，重心的起伏太大。而重心起伏对跑步速度没有贡献，你反而会消耗更多的能量。
　　有研究表明，专业运动员的垂直重心变化会控制在6厘米之内，而一般的跑步爱好者要逊色一些，平均在10厘米左右。
　　如果脚的落点在重心后方呢？我只能说，这样的话你会摔倒，因为跑步和走路一样，脚落地的时候，都是人体以支撑腿为轴的一次转动跌落。如果脚的落点都在重心后方，每一次跌落你的重心都会更靠前，结果就是摔倒。
　　结束语
　　我们一般大众跑步爱好者当然不需要复杂的物理计算，但是在跑步中懂得这些知识可以更好地理解跑姿的要求，运用科学的跑姿，顺应自然力，利用自然的力，会让跑步更轻松。而且能有效避免不必要的力，减少跑步运动损伤。
　　相似的灵魂总会相遇，关注@郭哥聊科学，用物理指导跑步，让跑步更科学。