科学解密运动时人类所承受的5个极限

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　　博尔特
　　在北京第29届奥运会上，博尔特在代表人类最快最经典的100m跑中创造了世界纪录9.69s，再一次提出了一个人们在每次新的世界纪录面前都要重复的话题：人类100m跑的极限在哪里？人类运动到底有无极限？
　　人类运动极限与什么有着密切关联？
　　1.生理极限
　　人体生理的极限制约着100m成绩的提高幅度。因为，如果运动员要超越博尔特的世界纪录，就会使他们体内酶的含量比普通人高出3倍，这已经达到了人体的极限。同时，运动员股骨头所承受的压力要达到体重的6倍，这也达到了极限。还有，血液中乳酸含量对于运动成绩的提高也有限制，因为一个运动员血液内的乳酸不能超过170mg。总之，人类的生理极限是运动极限有限论的理论基础。
　　2.运动基因
　　有关研究表明，人类运动基因99%是相同的，只有1%不同。而正是这1%造成了不同种族在运动能力方面的差异。
　　近年来，牙买加运动员在田径赛场上屡屡打破100m跑世界纪录，引起了科学家们的研究兴趣。牙买加理工大学教授莫里森等人与牙买加西印度大学和英国格拉斯哥大学的科学家联合对超过200名牙买加运动员进行研究，发现其中有70%的人的体内拥有一种名为“Actinen A”的物质，这种物质可以改进与瞬间速度有关的肌肉纤维，而这些肌肉纤维可以使运动员跑得更快。相比之下，澳大利亚田径选手中只有30%的人体内含有Actinen A。
　　Actinen A来源于速度的助推剂——ACTN3(α辅肌动蛋白3)基因。目前，世界各体育强国都在瞄准ACTN3基因。有的研究还提示，ACTN3基因只是优秀运动员的基因之一，还有许多基因与运动天分有关，如另一种称为血管紧张素转换酶(AcE)的基因，它产生的AcE可以影响人体肌肉的氧利用率以及肌肉的生长速度，从而改变运动成绩。
     
  
        
　　正是借助于特殊的运动基因，牙买加运动员在田径赛场上一次次书写奇迹，由此也将人类运动极限一次次改写。但是，应当看到，在如今优秀田径选手中，牙买加人占其中很大一部分，其先天优势也被平均享有，现在的世界纪录也是在特殊的运动基因下实现的，因此这种基因在未来突破人的运动极限方面的作用是局限的。
　　3.身体形态
　　近几年来，优秀百米运动员的身材，无一例外都是四肢肌肉极其发达，体型高大威猛，比如刘易斯身高1.88m，毛里斯·格林身高1.86m，鲍威尔也是1.88m，之后打破世界纪录的博尔特的身高是1.92m，田径运动员身材高大已经成为一种必然的趋势。在以前我们都认为田径运动员身材矮小，但在今天，要想在短距离项目上成为优秀运动员，身材高大是一个基础条件，因为100m跑本身是一个周期性运动，也就是人靠两条腿做一个循环周期的蹬地动作完成的，那么在摆动频率一致的情况下，很明显，腿长的人要占很大的优势，因此下肢的力量和长度成为越来越重要的因素。而在今天，不光是下肢，上肢以及全身的肌肉都要参与短距离跑，这样，全身肌肉如果非常发达，快肌自然要占很大的分量，全身良好的协调一致能保证短跑运动员在缺氧的情况下爆发出更大的能量，从而跑得更快。
　　当然，个子也不是越高越好，但参照整个所有运动项目的运动员指标，在身高1.95m左右应该是未来田径运动员的最和谐、最合理、最标准的身高，依据这个标准，现有100m跑运动的成绩应该至少还能再提高0.1s，提高幅度是非常有限的。
　　4.反应能力
　　要想在100m跑上获得好成绩，枪响瞬间反应速度成为一个重要因素。可不要小看这一点，虽然大家知道它微乎其微，但对于现在的100m跑比赛来说，你能提高0.01s就能打破世界记录。目前，绝大部分运动员是依据听觉来判断起跑的时机。创造世界记录的博尔特的枪响瞬间反应速度为0.150s。
     
  
        
　　所谓枪响瞬间反应速度是指指令枪响后，运动员脚蹬起跑器的时间。但是音速是低于光速的，也就是说，靠听觉是肯定比视觉要慢的。因此可以毫不夸张地预言，在未来人类百米赛跑肯定是运动员通过视觉来决定自己的起跑时机的。因此，如果运动员在反应能力上有所提高，这个速度极限至少还可以提高0.05s，但也是有限度的。
　　5.骨骼肌肉承受力
　　人类100m跑速度还取决于身体结构以及骨骼和肌肉能耐受多大的压力。这种压力不仅来自外面，而且来自内部。
　　外部的压力诸如举重对身体的压力和跳高需要脱离地心引力的压力。而内部压力也分两个方面，一是承受身体的自重，二是承受肌肉收缩发力对自身骨骼和肌肉造成的压力。其中肌肉是附着在骨骼上的组织，它们也决定着人类运动的极限。
　　运动员向前跑的动力大部分是由股四头肌收缩提供的，股四头肌又与膝盖连接。跑步时，肌肉、关节和骨头都需要承受这种由肌肉收缩发出的强大压力。
　　此外，在人体结构中，骨骼和关节的缓冲力也制约着人类运动的速度。在人体中有缓减压力的3根“弹簧”：第1根“弹簧”在脊柱上，是脊椎骨之间的“海绵软垫”——椎间盘；第2根“弹簧”是腿部的肌肉以及连接肌肉和骨骼的肌腱；第3根“弹簧”是足弓，它是脚底的拱形结构。这3根“弹簧”也制约了人类运动的极限，同样，人类只能在此基础上作为，而不能超越这个限制。
　　6.自然外力
　　自然外力是创造运动极限的偶然性因素，它包括风力、气候、温度等，在室外田径赛场上对运动成绩也起着非常重要的作用。据体育科研人员分析：在短跑、跨栏等田径项目中，顺风和逆风的不同气象条件，运动员的成绩差别是明显的。
     
  
        
　　人类运动时在各方面所承受的极限是什么？
　　1.人类能承受的加速度极限
　　人体的胸腔保护着心脏，使其免受撞击的伤害，但是它的保护功能在现代科学技术的发展下却略显脆弱。或许，在达到一定程度的加速度时，胸腔也根本起不到保护的作用。
　　美国宇航局和军方研究人员在寻找这个答案的道路上大步前进着。他们为了制造安全的飞行器和航天器需要了解这个数据。横向加速会因为对人体施加不对称力而对人体造成伤害。根据《大众科学》上刊载的一项研究表明，14个g的加速度可以让人的器官分离，而4到8个g的加速度可以让人昏迷。
　　向前或者向后的加速度对身体来说更容易承受一些。军方在20世纪40、50年代的试验表明人体可以承受45个g的减速。在这个速率下，人从1000千米/小时的速度减速到停止只用1秒钟。但是，根据研究结果，在50个g的减速情况下，人体还是会被撕裂。
　　2.自身速度极限
　　美国斯坦福大学研究人员指出，速度依赖于人体强健的肌肉和修长的四肢，由于人体具有一定的重量，所以每提高一秒钟速度，都会增加一定的能量消耗。速度与能量消耗的比值是有限的，这一极限可能是百米9.48秒。女子百米世界纪录保持者——短跑女皇乔伊娜，她的丈夫——美国田径专家柯西曾经做出过9秒76将是人类百米极限的论断，但他现在已经修正了自己的观点，他认为新的科学理念总让人难以想象，所谓的极限只是在原有训练水平下的极限。柯西称“当科学技术、训练理念发生天翻地覆的变化，天知道会发生什么！”
　　与体育运动专家、9秒9、9秒8、9秒7这样看似“保守”的预测不同，数学、物理、生理学专家对百米极限有更激进的观点。旅居德国的荷兰数学家阿尹马鲁教授通过复杂的计算推断人类百米极限为9秒29，这是理论上的最快速度，纯理想状态下的产物。考虑到人身体对抗空气的阻力、肌肉负荷能力、蹬地获得推动力所消耗的力等因素，“数学派专家”认为9秒64是更合理的速度，因为人不可能消灭空气阻力，人的肌肉韧性也是一定的，如果速度过快，肌肉将会撕裂。
     
  
        
　　为了在2008年北京奥运上创造辉煌，盖伊、鲍威尔、博尔特都把自身的状态调整到了巅峰，这三名百米新理念的代表人物无疑很有机会突破9秒70大关。现在的百米运动员不再追求模板式的体型和动作，盖伊有着疯狂的摆腿频率、鲍威尔上半身力量很强、博尔特身材瘦长步幅大，事实上，他们都有些颠覆传统、天赋异禀。正是由于他们迥异于传统风格，所以没人知道他们究竟能跑多快。
　　短跑冲刺时，速度若超过43.06km/h，腿部的股四头肌腱和膝盖就会分离。
　　3.承受重力速度极限
　　当过山车俯冲而下时，人仅仅承受了5倍的重力加速度，就会头晕、恶心。人承受重力加速度的最大纪录是31.25g，如果未经训练的话，一般在承受6g的时候就会失去知觉。
　　4.承受力量极限
　　美国洛杉矶南加州大学专家指出，人最终能举起多大重量取决于肌肉纤维数量，一般来说，四肢短小的人力量更大。
　　肌肉组织的每个肌纤维可以产生大约0.3微牛顿的力，而每平方厘米的肌肉可以产生大约100牛顿(10公斤左右)的力。但是前臂骨骼在5000公斤左右压力下，就会粉碎。如果假设手臂肌肉能够提供一半的力量，其余的力量来自腿部、臀部以及肩部等，你依然需要调动三头肌及其周围55厘米范围内的所有肌肉才能达到这种力量。
　　因此，承受力量的理论极限为5000公斤，而当前纪录为300公斤。
　　5.心跳极限
　　1分钟220次，这是指心脏运动极限，也是迄今为止，科学发现的心脏能够工作最大极限的心跳次数。超过这个数值，心脏就不能继续完成正常的搏血功能。科学研究发现，即使参加体育锻炼，在检测和评估锻炼效果时，都不可能超越这个极限。
     
  
        
　　人类能否突破“运动极限”这一瓶颈？
　　2001年7月，家住佛罗里达州的一位86岁的老太太朱莉·凯莱为救小孩，一下子举起了重达2吨的小轿车！我想这个例子就是人类在一次偶然中误打误撞挖掘出了激发潜能的最佳例子。
　　关于人类运动时能承受的极限，这个东西很微妙，正常情况下很难将其激发出来。而在网络上，在现实中，有许许多多的实例向我们证明，往往在对我们生命受到威胁或者潜意识的一定要做某事时有可能爆发自身的潜能。而极限运动犹如面对应急事件，如果人经常处于紧急战斗状态，此过程一结束，身体就会感到特别虚弱。长此以往会使生命透支。