人类短跑速度的理论极限是多少?

人类的体能到目前为止是否已经达到了极限?

是否可以通过几种模型计算出不同的限制条件下,人类所可能的最大速度范围是多少?


《闪电侠》

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16个答案
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Ent古生物学博士生,科学松鼠会成员

2014-10-27 17:44

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世界顶尖短跑运动员(比如博尔特)的瞬时最高速度差不多是45千米/小时,但只是瞬时。

不过2010年,一项研究认为(未经改造的)人类的生物学极限可以达到60千米/小时以上。

这篇论文名为The biological limits to running speed are imposed from the ground up。传统上计算人类跑步极限依据的是这样一个假定:人类运动速度的短板,是脚蹬地面的力度。目前短跑运动员一条腿能够对地面施加4000牛顿的力,大家都觉得这差不多到头了。事实上按照之前的计算,人类百米跑到9.48秒就差不多到头了。

但这项研究发现,其实短板不光有力度,还有施力时间。短跑者冲刺的时候其实很像弹力球,大部分时间在空中,每一步接触地面的时间不到0.1秒。他们认为,人类的肌肉其实还能释放出更大的潜能,只不过接触时间太短了没用出来——肌肉收缩也是要花时间的。要是想办法释放出来的话,那就是60千米以上了。按照最为乐观的估计,跑完百米只需要5.18秒(龟仙人速度?)。

遗憾的是,这是最理想的情况。现实中如果你想延长受力时间,就意味着迈步频率也要变慢。这也就是为啥我们现在还突破不了9.5秒的原因……

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从另一个角度说,跑步者在跑的时候其实只有大概7%的力是向前推动的,剩下的力都用来向上推动弹跳了。如果我们发明一种办法能将所有的力都用来克服空气阻力而非重力,那么用最简单的估算,人类速度还能再提高3-4倍。所以最最理想的极限情况下,不改造人体,我们可能可以瞬间跑到200千米/小时(超过哆啦A梦被老鼠吓的速度)——当然那时候我们的姿态肯定就无法称之为”跑“了。

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如果放宽对跑姿的要求,还会有很多别的好玩的结论。比如,NASA计算人类坐姿单腿静蹬最大力度可达2400牛。如果人能把双腿力量这样一刻不停向后施加作为推力,那么相当于8-9个g,粗略估计这可以让人抵达600千米/小时的终末速度。

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如果再进一步,调节一下人体的姿势、装备和海拔的话……世界速降跳伞纪录是531.42km/h,由Marco Wiederkehr在2013年创造。他采用了特别的姿势和专用头盔衣服,而且最高速度是在高海拔稀薄空气中获得。我们的短跑运动员拥有9g推力,理论速度可以达到他的三倍(1600千米/小时),但是因为三倍就要遭遇音障,所以实际上速度恐怕不会比音速(1200千米/小时)高太多。

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(本部分感谢@Aerokura 同学热心帮忙)

世界上纯肉身最快的人可能是Felix Baumgartner,他从39045米高处跳下来的时候,最快速度达到了1342km/h,合1.26马赫 (不过,因为不合速降跳伞规定,这不算上面的纪录)。

到了超音速,就没有什么方便的经验公式可算了……

(请忽略攻角啦空气密度啦之类参数,假定那些不变好了……)按这个图,阻力系数正好在1马赫附近有了突跃,让计算很困难。不过如果还是勉强估算的话,假定1.26马赫的阻力系数为0.9,2马赫以上阻力系数都是0.4,那么我们的最快极限理论速度可以达到6000千米/小时,超过5马赫。

不过到了这个程度,我们就要担心另一个问题:人会不会烧起来。

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SR71黑鸟侦察机的标准速度就是3马赫。它的表面温度从230摄氏度到510摄氏度不等。显然一个人到这时候怎么着都熟了(黑鸟表面是钛合金,挡风玻璃也是特制的能抗300度以上)。

遗憾的是,我不知道有什么好的公式估算飞行时的速度……

鉴于Baumgartner活下来了,所以我们大致可以推定,他的速度(在稀薄的空气中)是可以活下来的。所以一个未经改造的人在最最最理想的情况下,应该是可以略微超过音速”奔跑“并且存活的……吧……


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支持者: 超人.不会飞

“从另一个角度说,跑步者在跑的时候其实只有大概7%的力是向前推动的,剩下的力都用来向上推动弹跳了。如果我们发明一种办法能将所有的力都用来克服空气阻力而非重力,那么用最简单的估算,人类速度还能再提高3-4倍。”
骑自行车啊,我骑自行车最高速度达到53千米/小时。
嘿嘿

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支持者: 娟姐

其实我觉得变量更少更好回答的问法是人类可输出的最大功率是多少...

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Kevin L航空动力工程师

2015-08-24 12:41
支持者: wuliang8910

简化的过头了,速度限制岂止是蹬地力量。照这么说跑的快的是举重运动员了。

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正常情况能达到理论极限基本不可能,即使使用技术使速度达到或者接近极限,也可能会对身体造成不可修复的损伤。

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借鉴游泳项目,短跑的服装和裤子可以改进成流线型紧身衣,然后戴帽子或者干脆光头,甚至可以戴个尖头的东西,来劈开空气。。。。

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杼柚东三手的艺术家

2015-08-24 15:02

人体结构包含了多数的费力杠杆,我会乱说?

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昨天看央视,貌似有多个科学家通过模型来预测在2060年,百米达到极限9.2秒左右,记录就将永远冻结。当然以上只是砖家的理论。

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有没有人尝试过双手着地,象猎豹那样奔跑?

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试一下从斜坡往下跑就知道了,看谁能在最陡的斜坡跑下来而不是滚下来,差不多就是奔跑极限了

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从另一个角度说,跑步者在跑的时候其实只有大概7%的力是向前推动的,剩下的力都用来向上推动弹跳了。如果我们发明一种办法能将所有的力都用来克服空气阻力而非重力,那么用最简单的估算,人类速度还能再提高3-4倍。所以最最理想的极限情况下,不改造人体,我们可能可以瞬间跑到200千米/小时(超过哆啦A梦被老鼠吓的速度)——当然那时候我们的姿态肯定就无法称之为”跑“了。

这个已经被机械实现了——自行车。自行车的速度已经远远超过人了,虽然还没达到200千米每小时

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所有力都克服空气阻力,拿什么力平衡自身重力啊喂

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目前百米都是听指令枪开跑的,也就是百米速度还涵盖了起跑反应时间,如果把反应时间去掉目前的速度已经在9秒5以内了,感觉很惊人了

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看了评论,里面举出诸多理论,诸多在特殊情况下的可能,但是一句话总结:在正常情况下,基本达到极限了。

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