力量與力矩

力量是甚麼?

先不論甚麼肌力,肌耐力,爆發力之類的,就單純的「力」本身是甚麼?

力的本身就是令一個物體加速或減速的存在。因為有速度,才會有移動。想像一下你的手在不動的情況下是不會動的,那甚麼可以令手去動呢,就是力,是令力由一點移向另一點的時間,就是速度。

與此同時,減速不一定是把一件在活動中的物體截停攔下,因為地心吸力也是力的一種,令身體維持不被地心吸引拉向地面,也是力用在減速的表現(把倒地的速度變成零的力)。

而要量化力有多少,則一般引用牛頓第二運動定律:力(Force)的產生是質量(Mass)與加速度(Acceleration)相乘的結果,在運動科學當中這個公式也被廣泛應用。

力的產生:F=ma

力矩

根據牛頓第二定律得出的理論,我們知道力是如何產生後,就進一步思考力的方向是如何影響運動時的發力。

牛頓第二定律所提出的力,只是一個單純直線的力,但我們日常生活當中反而是鮮有以純直線來發力的。

基於人體有「關節」設計,實際上大部份動作所使用的力量都是旋轉所帶出來的扭力,因此便會有力矩的概念出現。

力矩(Moment of a force)又稱轉矩(Torque),意指物件圍繞支點所發出的力。

想像把手掌由放下轉至到摸到臉面的動作,實際上是二頭肌收縮發力(力),通過手肘作支點和前臂(力臂)連接著手掌,才能把手掌提起摸到自己。這個過程當中,二頭肌把手掌提起的力便是很明顯和簡單的扭力

力矩的主要影響因素有兩項,1)力的大小;2)力與轉動軸的距離。

只是,在重量訓練當中,我們需要了解的力矩,並不止於人類本身透過肌肉收縮而產生動作的力,還涉及另一道強大的外力:地心吸力

powerful young female athlete exercising with dumbbell in modern gym
Photo by Andrea Piacquadio on Pexels.com

以上圖為例,第一道力矩把力量由肩膀傳送到手掌,並提起啞鈴的動作。但同時出現第二道力矩,就是以人體為中心,啞鈴的位置重量,垂直於地面的地心吸力。也就是地球把你的肩膀向下扭的作用力。

因此,當我們進行重量訓練時,要留意地心吸力所產生的力矩,會否對訓練做成影響。

槓桿原理

如果你看著上文絲毫無法理解為甚麼地心吸力產生的力矩會如此麻煩,則需要稍為理解槓桿原理。

正如上文提過,基於人體設計,實際上絕大部份的動作的力,都是透過支點產生扭力的力。而當涉及支點,那就必須要知道槓桿原理的運作。

槓桿(Lever)主要是透過一個支點去把力量放大或縮少,槓桿發力的組成包括:

1)施力點/施力臂:即把力輸入的點和由施力點至支點的連接距離
2)支點
3)抗力點/抗力臂:即用力的最終目標,和由支點連接到抗力點連接距離

根據支點,槓桿原理可以分為三類:

省力槓桿:施力臂長於抗力臂
費力槓桿:抗力臂長於施力臂
等力槓桿:兩邊力臂與支點距離相等

由此可見,如果要達至省力,則要考慮增加施力臂的距離,或縮短抗力臂的距離。因此,在運動的時候,發力的肌肉和用力的目標距離越遠,並透過關節的有效支撐(支點)的話,槓桿原理便能發揮最大效用。

當應用在運動的過程當中,使用槓桿的施力臂和抗力臂則可以置換成較為實際的概念:

1)施力=發力的肌肉力量(肌力)=內力
2)支點=關節
3)抗力=外在力量(重量/重力)=外力

因此,在上圖把手臂向前升起的動作,在升起前(假設是雙手只抓緊啞鈴,雙臂自然放鬆向下),身體需要對抗的外力較少,而當啞鈴升起,重量與地面距離拉高,抗力臂的距離增加,同時增加了地心吸力的外力(位能),並因動作可用的肌肉減小(只有肩關節相關肌肉)而減少了自己可用的內力,因此這個動作一般較難提起較重的重量。

核心穩定性,封閉式動力鍊與槓桿原理

事實上,提升核心穩定性和以封閉式動力鍊的動作之所以能產生最大肌力的原因,正是因為恰當地應用了槓桿原理。

a shirtless young man doing a squat
Photo by Yogendra Singh on Pexels.com

核心穩定的情況下,身體創做出「封閉式動力鍊」,也就是由雙腿腳趾開始,至脊椎完整的支撐穩定,才能創造出有效率的「機械」效率。所謂的「機械」效率,就是有效透過槓桿原理和扭力,達至力量的最大化。

以上圖為例,深蹲的動作是一套由下而上的發力流程,直接與地心吸力對抗著。不少人在深蹲的動作中忽視了膝蓋以下的發力,事實上,小腿維持膝蓋與腳踝的直線,是為了確保力量能夠有效往上輸送。假如膝蓋過份前傾,特別是出現教練們常指出的「膝蓋過腳尖」的情況時,那就代表原本的支點(膝蓋)變成了外力點(失去腳底的直線支撐=>直接和地面成直線做成的地心吸力力矩=>需要對抗地面的扭力),所以力量(可承擔重量)便會大減。

有了小腿的支撐,臗關節與大腿後側肌群(膕繩肌群)才能有效承重和發力,以支撐身體向上的重量。

另一方面,如果核心穩定性不足,或脊椎沒有有效鎖緊,則肩膀與手臂的所需要承擔的重量,變成完全只能依靠肩膀與手臂本身的力量來完成。這是因為盆骨與臗關節是連接小腿發力的支點,脊柱則是連接發力點的施力臂,如果脊柱不夠穩定(或形容為剛度不足),則施力臂失去了傳送力量的效用,令下半身的力量無法傳送至上半身。

力臂剛度

古希臘科學家亞基米德曾說過:「給我一個支點,我可以撬起地球。」,但即是有支點,又應該用甚麼工具來撬起地球呢?

即使有有效的支點,很長的施力臂,極短的抗力臂,但「力臂」的本身,即連接施力點與抗力點中間的,是完全無法受力的物質,例如空氣、絲帶、毛線等等,那就根本無法有效把力量放大以及傳送。

換在人體運動的情況下,軀幹和四肢便是重要的力臂,如果軀幹和四肢本身沒有充份的力量變得剛硬,例如沒有有效鎖緊脊柱,令脊柱變得如毛線一樣無法受力,那就表示力臂的剛度不足,所以無法有效輸送力量。

mature sportsman doing exercises on stadium
Photo by Anna Shvets on Pexels.com

以上圖為例,當脊柱肌肉無法有效穩定時,每一組無法有效支撐的肌肉都會和地心吸力產生力矩,原本的施力臂反而變成無數的抗力點,本來可以共同發力的肌肉群組,變成各為了對抗力矩而發力對抗外力,力量便無法有效傳送。

因此,提升核心穩定性之所以重要,正是因為要有效運用槓桿原理,提升內力產生的力矩,從而令力量有效運用,從而提升最大肌力。

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