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盪呀盪如何越盪越高?與鞦韆的共振之舞

活躍星系核_96
・2019/07/23 ・4443字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 491 ・五年級

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文/特公盟葉于莉

鞦韆是每個孩子心目中最愛的遊具之一,我的小孩也不例外。我記得她三歲時每到公園,第一個想要玩的便是盪鞦韆,對於當時身高不到 100 公分的小小身軀,上鞦韆不是件容易的事,好不容易把她抱上鞦韆屁股坐穩,一邊叮嚀著手要抓緊緊喔!以為這樣就結束,可以到一邊納涼了嗎?

錯!才拿起手機剛要滑就馬上聽到有人呼喊:「媽媽幫我推!」,只好變成人肉機械手,一推就是好幾個月。眼看孩子又長大了一些,卻還是需要媽媽幫忙推,而她的朋友已經在隔壁的鞦韆自己盪到要飛上天了,我不禁在心裡暗想;一定要趕快讓孩子學會自己盪鞦韆,不然人肉機械手遲早會有廢掉的一天!

照片提供:特公盟

但是到底要怎麼讓她學會自己盪鞦韆呢?想想自己的經驗,不過就是盪出去的時候把腳伸直,往後盪回來時再把腳勾起來,就這麼簡單而已到底有甚麼好說的呢?但是怎麼能夠使擺盪的幅度越來越大?改變姿勢的理由是甚麼?隨意胡亂動也能越盪越高嗎?我決定還是自己先研究清楚再來教小孩吧!

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盪鞦韆就是一個單擺系統

盪鞦韆就是一個單擺系統。甚麼是單擺呢?簡單的說,用一條線或繩索固定在一端,在另一端懸掛一重物,就能形成一個基本的單擺。再回頭看看孩子們玩的鞦韆,他們抓得牢牢的那兩條鐵鍊(或繩)不就像是單擺的線?而鞦韆的椅墊或是再加上坐在上面的人,不就剛好形成了另一端的擺錘嗎?

瞭解這一點後我們就可以用鞦韆做個簡單的實驗。我把實驗分成兩部分來操作:

首先先維持鞦韆是沒有人坐的狀態,接著把鞦韆座椅往後拉高到一定的高度(要記住這個高度因為稍後還會需要),把座椅放掉同時計時,然後等座椅盪回到原點時按下結束,我們把這個數字記下。

第二次時把小孩請上座椅,之後的步驟就跟第一個部分一樣(記得兩次高度要一致),我們也把這次碼錶上的數字記下來。

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這個數字代表的就是鞦韆的週期,也就是從起始點放開後再盪回原點所經過的時間。最後比較兩個週期會發現,兩次所花費的時間差不多。這是因為單擺的週期在排除空氣阻力的情況下只會受擺長所影響,而鞦韆的擺盪週期會取決於支點到座椅的長度,長度越長週期越長,反之長度越短週期越短。以實際的鞦韆來舉例說明,如果是一架 160 公分高的鞦韆,擺盪一次的時間大約是 2.2 秒,「理想狀態下」我每分鐘要幫小孩推 27 下;換成另一架 220 公分高的鞦韆,擺盪一次的時間約是 2.7 秒,「理想狀態下」每分鐘需要推 22 下。相較之下我當然選需要推的次數較少、手廢掉的可能性較低的高鞦韆啊!

由此可知,每個鞦韆都有其特定的擺盪週期,而週期的倒數等於頻率,因此不同鞦韆也有不同的特定頻率。如果要讓鞦韆越盪越高,我們只要順應著鞦韆的頻率施力,此時鞦韆系統會產生共振,也就能輕易地讓鞦韆盪高。那麼施力的時機到底是甚麼時候呢?最簡單又恰當的時間點是在瞬時速度為 0 的時候,也就是當鞦韆盪至兩端最高處開始落下前,施力方式可以是手順勢推一下,或是在鞦韆上的人自己對系統作功。

如何在鞦韆上越盪越高?

我們都知道如果只是坐在鞦韆上甚麼都不做的話,鞦韆只會維持靜止不動;要動起來,就是要對鞦韆輸入能量。那麼身體動作的改變到底怎麼產生能量?以下將會分別以站姿和坐姿擺盪說明其中的原理。

站姿擺盪

站立盪鞦韆是非常有趣的體驗,只可惜現在能讓孩子站著盪的鞦韆寥寥可數,不是整體高度太低,孩子站著會撞到頭,就是都換成了軟式椅墊,缺少穩固的立足點。

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回憶小時候站著盪硬式座椅鞦韆,應該都知道如果要讓鞦韆盪高,在往前盪時膝蓋要微彎蹲低,有的人甚至是完全下蹲,然後盪至最低點時身體再立起。為什麼這樣就能愈盪愈高呢?其實是在蹲下與站立的過程中,鞦韆系統中的質心 (鞦韆座椅與人的質量中心)位置會產生變化。

當鞦韆盪至最低點時速度最大,繩張力 Ta 是重力與向心力的和,人從蹲下轉為站立,會讓質心位置往上移動,重力位能因此增加,而系統的能量也同樣增加;當鞦韆盪至最高點時又把身體蹲低,質心位置因此下移,繩張力 Tb 等於重力的分量 mg cosθ。由上述我們可以得知:Ta > Tb,由於質心上下移動的距離大致相等,系統增加的總能量(也就是 Ta 作功減掉 Tb 作功)會是正的,相當於持續輸入能量而使得鞦韆愈盪愈高。站立盪鞦韆的秘訣就是:在兩端最高處時蹲下,在靠近中間最低點時站起。

圖片繪製:王秀娟

坐姿擺盪

坐姿擺盪的動力來源之一與站立擺盪一樣,也是藉由質心位置的改變,繩張力的正功大於負功來增加系統動能。我們會教孩子:「往前盪出去時身體向後靠、小腿伸直;當盪到前端的最高點時將身體往前傾、小腿向座椅下方勾起」。

圖片繪製:王秀娟

由側面看孩子盪鞦韆,將位置分為左右兩邊高點、中間為最低點。從左邊往下盪時,由後靠轉為前傾的過程產生動作的轉換,盪至中間點時身體趨向打直,此時質心位置往上移動,盪至左右兩側時的動作則會使質心下移,不過與站姿擺盪相較之下,坐姿時質心沿著繩子位移的幅度較小,所產生的動能也比較不明顯,這種作功的方式其實只是輔助。下面即將介紹同樣這幾個動作,對系統的動能還有哪些影響。

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圖片繪製:王秀娟

圖中顯示的是從側面看孩子盪鞦韆,用以解釋其中「角動量」的變化。讓我們再次回憶一下盪鞦韆的動作,在往後盪至最高點時身體會往後靠並且腳打直,可以把這個動作想成身體以臀部為中心做逆時針旋轉,身體的旋轉增加了鞦韆此時向前的角動量。相反的,向前盪至最高點時身體前傾小腿下勾,這個動作身體以臀部為中心做順時針旋轉,同時增加了鞦韆向後盪的角動量。整體而言,坐姿盪鞦韆的過程,等於我們擺動身體變化繞著質心旋轉的角動量,從而增加質心繞著鞦韆支點旋轉的角動量。

國外還有學者特別針對盪鞦韆運動作了研究,研究中發現,在盪鞦韆過程中,因為頭部跟腳的動作產生旋轉增加鞦韆的角動量,是主要使鞦韆盪高的能量來源;而通過鞦韆支點的質心隨繩子產生位移,並透過繩拉力作功的動能則是次要的。不過前者會隨著振幅的增加而降低比例,相反的,後者則會稍微增加。1

圖片繪製:王秀娟

盪鞦韆與安全的距離

你有仔細觀察過遊戲場內鞦韆的佔地範圍嗎?如果有的話,你會發現鞦韆通常與其他設施都保有一定的距離,尤其鞦韆前後更要留空,這段留白的範圍與鞦韆架的高度大有關係,鞦韆架高度會影響鞦韆鍊的長度,而鞦韆鍊的長度,又關係著如果小孩想當空中飛人從鞦韆飛出的距離!

以一架高 200 公分,鍊長 160 公分的鞦韆來說,如果小孩從鞦韆的極限高度(與鞦韆架齊高)往前盪,到最低點時瞬間速度最大可以達到每小時 20 公里,同一時間如果手放開向前飛出的距離大約是 162 公分;如果是在最低點過後的中間放開,向前飛出的距離大約離鞦韆是 270 公分;若是在極限高度鬆手,因為瞬時速度是零,大約就是落在比鞦韆鍊長度再多一點的地方。

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上述這幾個例子都是以自然落下去計算,但別忘了小孩哪會給你乖乖落下,一定是再加上往前跳的動作。所以在兒童遊戲場設備的法規中明訂,鞦韆的前後需各留有鋪面到鞦韆樞紐的兩倍距離,而且鞦韆架往外向任何方向測量 183 公分都算是它的使用範圍,跟其他遊戲設備的距離也要在 274 公分以上。

盪鞦韆能夠轉一圈嗎?

女兒的朋友運動細胞很強大,盪鞦韆時總是喜歡讓自己飛得比鞦韆架還高,我站在一旁心裡暗想:要是可能的話也許她會轉一圈吧!想像歸想像,但這在現實裡的公園鞦韆是不會發生的,那是因為一旦我們擺盪的弧度達到 180 度,會使得鞦韆鏈條受重力影響而往下墜,再也無法維持一直線,繩張力也因此不能在弧型的最高點處具有垂直分量,換句話說繩子拉不住東西,我們便不能靠繩張力作功讓自己抬升更高了。因此公園的鞦韆是有其極限的。

但請注意,這裡說的不可能轉一圈指的是使用撓性鞦韆練(繩索、鍊條等等)的擺盪。如果鞦韆連接構造是硬質桿狀物(鐵桿、木竿、竹竿等等),再搭配經過特殊設計的鞦韆架本體,鞦韆是有可能轉 360 度變風火輪的喔!

新式鞦韆介紹

鳥巢鞦韆

主要構造是以繩索包覆的環型結構,圓圈內部由繩網交織而成;有的則是整個用塑膠而製成的一個大圓盤。使用者可躺或坐或站在上面。躺或坐的時候比較難施力,尤其邊框愈厚的話就更難以坐姿改變質心位置去提供系統能量,所以通常需要其他人幫忙推,或是以站姿擺盪對系統做功。

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如果是以站立的方式,可以把腳放在圓圈上以鞦韆架為中心的前後兩側,盪至最高點時將高點那側的膝蓋彎曲,同時身體也向同一側壓低,至低點時身體打直讓質心上移,如此反覆便可讓鞦韆擺盪。也可以試試雙腳踩在同一側像踩硬板鞦韆的方式,但重心要拿捏否則容易往一邊傾斜!

照片提供:特公盟

擺盪大索(Rope-end swing)

由數條粗繩索交錯集合構成一條更粗的大繩索,形成供站立或跨坐的主體結構,兩側以同樣間距設有數條鋼索與鞦韆架上方相連,由側面看過去,孩子彷彿騎在龍身上。有人可能會覺得疑惑:「這也算鞦韆嗎?」其實它相當於把好幾個鞦韆以前後的方式串連在一起,等於是一個前後加長型的鞦韆,而且還能以面對面的方式乘坐,孩子在上面遊戲的同時可以一邊看著朋友或爸媽,樂趣無窮。

乘坐時雙腳分開跨坐在大索上,擺盪方式如同在鞦韆上一樣,往後盪至最高點時將背部向後靠並將腿伸直使質心移動,接著向前盪時逐漸恢復姿勢,至往前最高處時身體前傾腳回勾。另外也可以雙腳一前一後以站姿擺盪:在前後最高點時彎曲膝蓋壓低身體,在最低點抬起身體改變質心位置便可帶動鞦韆。

不過你會發現通常都是站在最前端跟最末端的孩子最賣力,這是因為在這兩端力矩最大,比較好施力的結果也使得大索能擺蕩的幅度最高,中間的人就好好坐著享受速度快感,也是挺不錯的選擇!

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照片提供:特公盟

作者介紹:

  • 特公盟(還我特色公園行動聯盟)
    為了推廣多元特色的兒童遊戲空間,讓孩子能在專屬自己的空間中長成自己,特公盟這一群認真自學的媽爸及成員,除了把相關的法條和 CNS 國家標準中相關規定研究透徹,還進一步開始解構剖析設計相關各種細節,讓每一位公民參與的親子,都能成為兒童遊戲空間的專家。
  • 葉于莉
    大學化工系畢業後,卻以電腦工程師踏入職場,但仍心繫生物、動物學及化學等領域。成為全職媽媽後,轉而全心投入孩子,一天 24 小時相處下來,發現孩子可以不吃但不能不玩,原來遊戲對其身心發展無比重要,於是加入特公盟一起爭取兒童遊戲權、翻轉兒童遊戲場。

參考資料:

  1. Auke A. Post, Gert de Groot, Andreas Daffertshofer, and Peter J. Beek. (2007). Pumping a Playground Swing. Human Kinetics Journals, 11, 136-150.
  2. CNS 12642:20116 A1043, 8.6 鞦韆
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活躍星系核_96
778 篇文章 ・ 128 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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從門得列夫到 118 種元素:元素週期表是怎麼出現的?
F 編_96
・2025/01/04 ・2302字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

「氫鋰鈉鉀銣銫砝、铍鎂鈣鍶鋇镭…」相信很多人離開高中很多年,都還朗朗上口。

列著 118 種已知化學元素的「元素週期表」(Periodic Table),雖然唸起來像咒文,但有了它之後便能夠快速查詢原子序(proton number)、價電子(valence electrons)數量,以及元素可能的化學性質,成為各領域科學家與工程師設計實驗、預測物質反應必不可少的工具。

有趣的是,元素週期表並非一蹴可及。縱觀歷史,化學家們歷經數世紀的摸索、爭論與資料整理,才在 19 世紀後半葉逐漸確立。

我們現在看到的元素週期表,是在 19 世紀後半才逐漸確定。 圖/unsplash

週期表之父:門得列夫的突破

19 世紀中葉,已知的化學元素約有 63 種,許多化學家嘗試找出元素間的共同點,卻苦無系統性整理。當時能區分「金屬」與「非金屬」,或利用價電子概念將一些元素歸類,但要涵蓋大多數元素仍顯不足。俄國化學家門得列夫在撰寫《化學原理》教科書時,因接觸各元素的資料而產生新思路。他索性把已知元素各種性質寫在紙卡上,再一一比對它們的原子量(類似當今的原子量或原子序概念)與化學性質。

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確切的靈光乍現時刻,如今已無從完全重現,但我們知道門得列夫最後觀察到:「如果按照原子量(或後來的原子序)由小到大排列,某些化學性質就會呈週期性重複。」進一步來看,元素的價電子數量通常也會對應到表格的「欄位」或「族群」。於是,在 1869 年,他將研究結果發表,提出了第一版週期表的雛形,更大膽預言了尚未被發現的元素「eka-aluminium」(後來證實即鎵 gallium)及其他四種元素的性質。

讀懂週期表:原子序、符號與原子量

今日的週期表之所以能快速讓人獲得豐富資訊,關鍵在於三個核心欄位:

  1. 原子序(Atomic Number)
    代表該元素核內所含質子數。如果一原子核有 6 顆質子,就必定是碳(C),無論其他中子或電子數如何。此序號由上而下、由左而右遞增,貫穿整張表格。
  2. 元素符號(Atomic Symbol)
    多為一至兩字母縮寫,如碳(C)、氫(H)、氧(O)。但也有如鎢(W,因「Wolfram」得名)或金(Au,取自拉丁文「Aurum」)等較不直覺的符號。
  3. 原子量(Atomic Mass)
    表示該元素在自然界中各同位素的加權平均值,故通常是帶小數的數字。對合成元素則標示最常見或最穩定同位素的質量,但由於這些元素壽命極短,數值往往會被不斷修正。

舉例來說,硒(Se)在週期表中顯示原子序 34,屬於第 4 週期、第 6A 族,表示它有四層電子軌域,其中最外層(價電子層)有 6 顆電子。有了這些資訊,科學家可快速判斷硒的化學傾向、可形成何種化合物,乃至於在生物或工業應用中可能扮演的角色。

週期表的內部結構:週期、族與軌域

門得列夫最初按照原子量遞增排列元素,現代則依靠原子序(即質子數)來分類。橫向稱為「週期」(Period),從第 1 週期到第 7 週期;縱向稱為「族」(Group),目前總共有 18 組。週期數量在於顯示該元素電子軌域有幾層;而同一族則代表外層價電子數相同,故有相似化學性質。

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例如,第 18 族常被稱作「貴氣體」或「惰性氣體」,如氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)等皆不易與其他元素起反應。另一個顯著群體是位於第一族的鹼金屬(Alkali Metals),如鋰(Li)、鈉(Na)等,因外層只有 1 顆電子,極容易失去該電子而形成帶 +1 價的陽離子,故與水猛烈反應。

此外,在表格中央有一塊「過渡元素」(Transition Metals)區域,包括鐵(Fe)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)等。它們具有部分填充的 d 軌域,使得該區域的元素呈現多樣性質,例如具有金屬光澤、可塑性或導電性等,被廣泛應用於工業及工程領域。

同一族的外層價電子數相同,因此大多有著相似化學性質。圖/unsplash

再進化:從 63 種到 118 種

當門得列夫在 1869 年發表週期表時,已知元素只有 63 種,表格中甚至留有空白以預留「未來或存在尚未發現的元素」。他果然預測到了鎵(Ga)以及日後證實的日耳曼ium(Ge)等新元素性質,贏得舉世矚目。隨後,有越來越多元素透過科學發展,尤其是光譜分析與放射性研究而被發現,例如鐳(Ra)和氡(Rn)等。

到 20 世紀後期,隨著粒子加速器的誕生,人類可以合成更重的超鈾元素(Atomic Number > 92)。這些人工合成元素往往極度不穩定,壽命僅能以毫秒或微秒計,但仍證實存在、並填補週期表後段空白。如今,週期表已收錄到第 118 號元素「鿆(Og,Oganesson)」,但科學家預測或許還能繼續向上延伸;只要能合成更重、更穩定的原子核,我們就能拓展週期表的新邊境。

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一般認為,隨原子序遞增,原子核內部的質子數目激增,原子愈趨不穩,往往在極短時間內衰變成較輕元素。然而,一些理論物理學家提出「島狀穩定性」(Island of Stability)的概念:也許在某特定質子與中子數量組合下,能出現意外長壽的「穩定」重元素。

是否真能在表格上方再增添「第八週期」甚至更高週期的列,仍有待更多實驗來驗證。但無法否認的是,週期表一直是科學家檢驗自然規律的試驗場,也見證了人類探索未知的無盡熱情。

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一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃

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人類的「長跑」很厲害?靠「跑」在荒野中脫穎而出
F 編_96
・2024/12/26 ・3048字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

在美國加州死亡谷(Death Valley)「魔鬼鍋爐」般的炙熱溫度下,每年夏天都舉行一場被稱為「世上最極端越野賽」的經典賽事:Badwater 135。選手需在攝氏 49 度、下方為北美洲海拔最低的地帶上,跑步或走完 217 公里的山路,一路衝向位於美國本土最高峰(聖女峰)附近的終點。這聽來猶如天方夜譚,但每年仍有近百人勇敢挑戰。許多四足動物在此高溫下可能早已中暑倒地,為何人類卻能憑藉一雙腳在此環境中堅持下去?

事實上,速度上我們遠不及同等體型的動物,例如豹或馬,然而要比拼耐力,人類卻常能大放異彩。我們能在大草原中與野生動物「天荒地老」地消耗,即使我們在短程衝刺中會被輕易超越,仍可以憑藉馬拉松般的堅韌一路追趕,最終讓速度更快的對手因高溫與疲勞而甘拜下風。究竟人類為何會進化出這般特殊的耐久力?。

在跑步上,人類以耐力著稱,可透過拉長距離讓速度更快的動物因高溫與疲勞而屈服。圖/envato

人類長程奔跑的演化起源

人類的體質在遠古時期並非天生就能輕鬆長跑。據一種假說推測,大約 700 萬年前,類人猿的祖先於非洲開始「離開樹梢」,轉而在地面上覓食、移動。早期的兩足行走雖然看似笨拙,卻逐漸在持續的氣候變遷與草原化過程中展現優勢:

  1. 更廣闊視野:直立行走時,頭部位置提高,有利於觀察周遭環境,提早發現危險或獵物。
  2. 省力遷徙:兩足步態下,移動同樣距離所需能量相對降低,足以在開闊平原上長距離跋涉。

隨著數百萬年的進化,人科動物(hominids)在骨骼、肌肉與生理機制上更趨於適應長時間行走和奔跑。他們在廣袤的非洲大地上,並非以速度壓倒對手,而是依靠「耐力與持久追蹤」取得優勢。考古學家曾提出「持久狩獵」(Persistence Hunting) 的假設:古人類可能利用高溫時段在大草原上追趕羚羊或其他動物,待獵物體溫過熱而力竭之際,人類再上前制伏。一方面依靠長距離奔跑耐力,另一方面倚仗強大的散熱能力。

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足部與下肢結構:為奔跑而生的細節

哈佛大學的人類演化生物學家丹尼爾‧李伯曼(Daniel Lieberman)指出,人類的奔跑能力「從腳趾到頭頂」都有演化專門化的痕跡,稍加留意便能發現許多奧祕。

  1. 短腳趾與足弓結構
    • 人類的腳趾較短,是為了減少長距離奔跑時的折損機率。若腳趾過長,每次著地都更容易造成骨折或扭傷。
    • 足弓(包括足底肌腱與韌帶)則具備彈簧般的功能,可在踩踏地面時儲存彈性能量,接著釋放推力,減少肌肉能量消耗。
  2. 強力肌腱與韌帶
    • 跟腱(Achilles tendon)和髂脛束(IT band)都能吸收並釋放大量彈力,在跑步時有效節省體力。
    • 透過肌腱的彈性能量回饋,跑者在每一步落地與蹬地之間,都能減少額外的肌肉耗損。
  3. 臀部肌群的角色
    • 人類相較於猿類擁有更發達的臀大肌(gluteus maximus),能夠穩定軀幹,使身體不致向前傾斜或晃動得過於劇烈。
    • 這種「穩定性」非常關鍵,它能支撐直立姿勢,維持跑步時的協調和平衡。
人類發達的臀大肌穩定軀幹,得以支撐直立姿勢,提升跑步時協調與平衡的能力。圖/envato

軀幹與上肢:不容忽視的穩定器

奔跑並不只是腿部的事。上半身及頭部在跑動中也扮演著不可或缺的穩定與協調角色。

  1. 擺臂對頭部穩定的影響
    • 當我們在跑步時,雙臂自然擺動,有助於平衡腿部擺動帶來的轉動力矩;換言之,手臂的擺動能對沖下肢動量,讓我們在快速移動時仍保持穩定,頭部不至於過度搖晃。
    • 猿類上肢肌肉發達,卻沒有像人類一樣的大範圍肩關節「解耦」特性(能讓肩膀與骨盆分開晃動、頭部保持前方視線),這使得牠們在直立奔跑時更顯笨拙。
  2. 脊椎靈活度與呼吸節奏
    • 人類的脊椎與骨盆並非僵直連接,跑步時,骨盆能與肩部做出相對扭轉運動,使軀幹整體更靈活。
    • 這種結構也幫助人類在奔跑過程中匹配呼吸節奏:腳步落地的頻率能自然與肺部換氣形成同步節拍。

冷卻系統:靠「排汗」征服烈日

人類藉遍布全身的汗腺大量排汗散熱,透過蒸發有效降低體溫。人類藉遍布全身的汗腺大量排汗散熱,透過蒸發有效降低體溫。圖/envato

在非洲大草原上奔跑,面臨的最大挑戰之一便是高溫。人類為何可承受長時間高溫壓力,甚至能在午後與動物「耐力大戰」?

  1. 排汗與體溫調節
    • 大多數動物主要依賴氣喘(如狗的哈氣)或有限的汗腺冷卻。人類則擁有遍布全身、數量龐大的汗腺;這使我們可藉由大量流汗帶走熱量,再透過汗液蒸發達到降溫效果。
    • 雖然我們也會因此流失水分與電解質,但只要能適度補充,便能持續散熱。而某些大型哺乳動物,在持續奔跑一段時間後,往往因過熱而只能停下休息。
  2. 無毛皮膚與蒸發效率
    • 相較於其他哺乳類,人體毛髮主要集中在頭部與部分身體區域,大片皮膚裸露,有助於排汗時的蒸發散熱。
    • 這種「裸皮」極可能是長距離奔跑與日間活動的選擇性演化結果,確保人類能在炎熱的白天進行移動或狩獵,而不因過熱而必須在陰涼處長時間停留。

呼吸方式:維持長距離的關鍵

另外值得注意的是人類高效率的呼吸節奏。四足動物在奔跑時,呼吸通常與四肢步態高度耦合,比如馬或犬類在衝刺中必須配合四肢的震動節奏吸氣和吐氣,較難隨意變換節拍。而人類因直立姿態,使得呼吸與跑步步伐能保持更大程度的自主調控。

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  • 獨立呼吸調節
    • 能依跑者自主需求來決定吸氣與吐氣的頻率,不一定要剛好配合腿部的落地次數。
    • 這讓人類在長時間奔跑或耐力賽中,能以相對節能的方式調節氧氣和二氧化碳的交換量。
  • 嘴巴與鼻子的雙重進氣
    • 為支撐長時間有氧運動,跑者多半會同時用鼻子與嘴巴呼吸,以便快速補充氧氣並排出二氧化碳。
    • 相較之下,某些動物在喘氣散熱時犧牲了進氣效率,一旦體溫飆升,便難以同時維持高強度奔跑。

即使進入現代社會,大多數人不必再於烈日下持久追蹤獵物,我們仍可在馬拉松、越野超馬等各式比賽中看見古老遺傳「跑步基因」所迸發出的潛力。從波士頓馬拉松、超級鐵人三項,到極端氣候下的 Badwater 135,人類透過持續的鍛鍊與後勤補給,一次又一次突破極限。

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運動員的大腦跟一般人不一樣?從腦科學看體力之外的奪冠秘笈
F 編_96
・2024/12/17 ・2098字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

是不是常聽人家講「運動天賦」?這種天賦到底是什麼?運動員哪裡跟我們不一樣?這個問題現在科學家或許可以給你一個答案。近年透過腦科學研究發現,運動員的大腦與普通人的大腦存在顯著差異,這些差異塑造了他們在比賽中的敏捷反應、精確動作及卓越判斷能力。

所以現在運動選手不只比體力,還要比腦力了嗎?這些差異具體差在哪裡?

快速反應:視覺處理能力

在團隊運動如足球或籃球中,快速處理視覺資訊並作出決策對勝負至關重要。一項 2013 年發表於《Scientific Reports》的研究發現,職業運動員比起業餘運動員或一般人更擅長處理動態視覺場景,例如追蹤快速移動的物體。這種能力能夠幫助運動員在瞬間解讀賽場上的複雜資訊,並迅速做出反應。

擁有快速的視覺處理能力,對團體運動來說至關重要。圖/envato

視覺處理能力的測試還可用於判斷運動員是否適合回歸賽場,例如在傷後復健階段,確保運動員在完全恢復判斷能力之前不會貿然上場。

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肌肉記憶:動作的自動化編程

對於體操選手或跳水運動員而言,肌肉記憶是完成複雜動作的關鍵。2023 年《Journal of Neuroscience》的一項研究表示,大腦如何通過訓練快速「壓縮」和「解壓縮」動作資訊,最終將動作序列整合成一個流暢的過程。這種訓練過程使運動員能夠無需刻意思考,便能完美執行複雜動作。

肌肉記憶的形成依賴於大腦皮層神經元的網絡活動,這種神經編程能力也同樣適用於訓練有素的音樂家或舞蹈家。

預測能力:球場上的決策利器

運動員擁有卓越的預測能力,例如棒球擊球手能根據投手的動作,快速判斷球的速度與方向。2022 年發表於《Cerebral Cortex》的研究發現,當擊球手預測投手的投球軌跡時,大腦左腹側顳葉皮質的神經元活動會根據預測結果而改變。

這種高效的預測能力源來於運動員在比賽中,學會透過關聯視覺線索與物體運動軌跡的技能。研究還發現,潛水選手等專業運動員的大腦中與動態運動解讀相關的區域,如上顳溝(STS),比普通人更厚,這也反映了運動訓練對大腦結構的塑造。

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平衡與空間感:身體控制的高峰

對體操選手來說,擁有非凡的平衡感與空間感知能力,兩者缺一不可,而這在科學上被稱為「本體感覺」(proprioception)。位於小腦的神經網絡讓運動員能迅速調整身體姿態,即使在空中失誤也能及時修正動作。

對體操選手來說,平衡感與空間感知能力非常重要。圖/envato

然而,當這套「安全網」失靈時,可能導致嚴重後果。如 2020 年東京奧運中,體操選手西蒙·拜爾斯(Simone Biles)因「扭轉失靈」而一度無法控制動作,凸顯了平衡能力在高風險運動中的重要性。

注意力與認知靈活性:多任務處理的關鍵

團隊運動要求運動員能快速在不同思維模式間切換,例如足球選手需在控球時預測對手動作並調整策略。2022 年《國際運動與運動心理學期刊》的一項研究顯示,運動員,特別是參與高強度間歇訓練的選手,擁有更強的認知靈活性和注意力分配能力。

研究也指出,這些能力的提升可能與長期訓練相關,但確切機制仍需進一步研究。

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抗衰老的秘密:運動對老年大腦的保護

這些運動訓練對大腦的影響,可不是只有相關區域的提升。運動對大腦健康的影響,可能會持續一生。一個典型例子是加拿大田徑選手奧爾加·科特爾科(Olga Kotelko),她在 95 歲時仍保持驚人的腦部健康,其白質結構完好程度甚至接近比她年輕三十多歲的普通人。科學家認為,持續的運動訓練可能是她保持記憶力與認知敏銳的原因之一。

運動不只是對身體的鍛鍊,對維持大腦健康也有影響。圖/envato

下一代的訓練策略:腦力與體力並重

隨著運動科學的不斷進步,科學家也開始呼籲教練更注重對年輕運動員的腦部訓練,例如提升記憶力與決策能力。西悉尼大學的運動科學家凱莉·斯蒂爾(Kylie Steel)指出,運動員的身體或許會訓練至極限,但在認知能力上仍擁有巨大的潛力提升。例如,足球訓練中可以鼓勵球員使用非慣用腳進行射門,以提升大腦靈活性,幫助他們在成年後更加出色地應對比賽挑戰。

近年研究讓我們重新認識了體育訓練對人體的深遠影響,運動改變的不僅是肌肉,還包括大腦。從視覺處理到肌肉記憶,再到抗衰老的腦部結構,透過運動與科學的結合,將為未來的運動員開啟全新可能性,也提醒我們,持續鍛煉不僅益於身體,也有助於大腦的健康。

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F 編_96
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一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃