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为什么最短的起跑时间不是0秒,而是0.1秒?

撰文 | Insulindian(神经科学在读博士)
 
7月31日晚上,东京奥运会田径赛场出现了争议性的一幕:
 
在男子100米第1轮比赛中,尼日利亚选手因为抢跑而被红牌罚下。他的起跑反应时间为0.095秒——根据国际田径联合会的规定,运动员的起跑反应时间少于0.100秒时,即被视为抢跑。与此同时,同组的英国选手刚刚跑出0.093秒的起跑时间,却被判断为“计时器故障”而得以留在场上。
尼日利亚选手奥杜杜鲁因为抢跑被红牌罚下
 
这种判罚是否公正,我们无法评判,不过看着运动员失落离场的样子,还是会不禁感慨:辛苦准备比赛,只因为与规定起跑时间0.005秒的差距就失去了机会,这种规定对运动员会不会太严苛了点?
 
0.100秒,发生了什么?
 
在短跑比赛中,起跑反应时间指的是从发令枪响开始,到起跑器记录到超过阈值的力为止的时间。最短起跑反应时间并不是0秒,而是0.100秒,这个规定部分参考了一项1990年的研究。研究记录了8名芬兰的男性短跑运动员在起跑时的腿部肌电信号,当肌肉的活动水平超过基线10%时则记下反应时间;结果发现,起跑姿势中前后两条腿的平均反应时间分别为0.121秒和0.119秒。
 
不过,这项规定在近年来有许多争议,有人认为它太长,有人认为它太短。在实际起跑过程中,运动员身上到底发生了什么事呢?
 
枪声入耳
 
发令枪响,声音通过空气介质传导进入运动员的耳朵。这看起来不过是一瞬间,但在毫秒必争的短跑赛场,枪声入耳的时间不可忽略。
 
以前的短跑比赛中,发令员站在赛道一侧,枪声传导到离发令枪最近和最远的赛道会有20~30毫秒的差别;随着传播距离的增加,枪声响度下降,枪声大小也与运动员的反应时间密切相关。1996年奥运会短跑比赛的统计数据显示,起跑反应时间的平均值从第一赛道到第八赛道逐渐增大;2004年奥运会短跑比赛的数据也有相似的规律。
起跑器后有一个小喇叭 | Pixabay
 
因而,从2008年奥运会开始,在短跑比赛中,每个跑道的起跑器后面都放置了扩音器,同时播放音量相同的发令枪声,以最大程度保证公平。在这种情况下,枪声在约3毫秒后进入运动员的双耳。
 
听觉转化为运动
 
枪声抵达运动员的耳朵后,声波由耳蜗转化为神经信号,经耳蜗神经传递到脑干中的耳蜗核;随后传导到中脑中的下丘,再到丘脑中的内侧膝状体,最后抵达听觉皮层。听觉的感知通路也是各种感觉信息中最长的一条。通过脑电记录可知,声音信号从耳朵抵达中枢神经系统的第一站——脑干,大概需要3毫秒;到达人类的听觉感知核心脑区——听皮层,需要35~50毫秒。
 
之后,听皮层将信号传导至控制运动的运动皮层,运动皮层的指令最终经过脑干和脊髓到达全身肌肉,告诉运动员的身体该如何发力。运动信号从脑干到腿部约需要30~50毫秒;而且,通常来说,运动员身高越高,这个过程需要更长时间;从神经信号到最终肌肉中间发生化学传导,需要耗费3~6毫秒。
身体需要经过一系列的反应,才能完成起跑的动作。图为2012年奥运会男子110米栏比赛,卡梅·阿里因抢跑被取消资格 | Andrew Thomas / Wikimedia Commons
 
但也有人猜测,听皮层和运动皮层可能并未直接参与专业运动员的起跑过程,这部分的理论反应时间或许还能更短。在听觉惊吓反射中,从受到声音惊吓,到腿部肌肉收缩的最短时间为60毫秒,低于上述反应时间的总和。如果绕开了缓慢而复杂的皮层,通过较为原始的脑结构完成动作,起跑反应时间就会更短。
 
施力达到起跑器阈值
 
腿部肌肉接收到信号还不够,它们还必须收缩到一定程度,才能启动关节的运动,这部分的机械延迟有15~20毫秒。最后,当起跑器感受到运动员施加的力超过设定阈值时,便会停止反应时间的计时,这部分的延迟取决于设定阈值的大小。
 
因而,如果不考虑起跑器的阈值,仅仅将上述各个过程的时间相加,起跑反应时间的极限似乎真的可能短于100毫秒。
 
100毫秒,太长还是太短?
 
一项2007年的实验中,研究人员邀请了9名英国男性短跑运动员参与测试;结果发现,在超过20%的起跑过程中,反应时间都低于100毫秒,研究记录到的最快起跑反应的腿部肌电信号出现在60毫秒左右。基于这些结果,他们认为,起跑反应时间的标准应该下调到85毫秒。
 
但是,这项研究的测量结果平均值,较比赛记录到的起跑反应时间低了至少20毫秒。这很可能与起跑器的阈值设定有关,国际田联使用的计时系统来自供应商Omega,具体的阈值信息没有公布,研究中设定的力阈值可能与比赛阈值有偏差。同时,运动员的心理状态也有很大区别,实验中没有抢跑被罚下的压力,可能让他们更倾向于预测发令枪的时间。
2007年泛美运动会100米起跑线上的压敏起跑器 | Andrew Hecker / Wikimedia Commons
 
一些学者则试图在重大比赛的数据中寻找规律。有几项研究对统计数据进行分析建模,都得到了这样的结论:无论男性还是女性运动员,起跑反应时间低于100毫秒的可能性都不足0.01%。一项基于北京奥运会的研究指出,男性反应时间有99.9%的置信度在109毫秒以上,而女性则是121毫秒。换句话说,100毫秒的规则反而会产生一些抢跑的漏网之鱼。
 
另一项分析了最近4届奥运会,结果发现,在2004年奥运会中,女性运动员的平均反应时间长于男性;但这一差异在2008年奥运会明显降低,到了2012年则几乎消失。研究者猜测,可能是Omega针对女性运动员设置了较低的力量阈值。
 
什么影响了起跑反应时间?
 
毫无疑问,运动员千百次反复的练习,会让他们的起跑反应逐渐达到自己的最佳水平。另外,多项研究都发现,从预赛、半决赛到决赛,运动员的反应时间依次缩短,这可能与运动员在越重要的比赛中越集中注意力有关。
 
大脑也会对即将发生的事情——比如发令枪响,作出预测。在上面提到的听觉惊吓反射实验中,相比于直接用声音“惊吓”被试者,如果在声音刺激之前先给出视觉刺激,被试者作出收缩反射的时间会降低20~50毫秒。
 
在短跑比赛中,从准备提示到发令枪响,时间间隔通常在1.4~2.3秒之间。一项对20名男性短跑运动员的实验发现,时间间隔越长,起跑反应时间越短;大赛数据也验证了这一结果。这也说明,大脑在准备阶段的状态显著地影响了起跑反应。
一项统计数据认为,短距离项目最终的成绩排名与起跑反应时间没有相关性;然而,起跑时间依然是比赛中备受关注的数据 | Pixabay
 
除了大脑的“无意识”预测,运动员也可能有意识地进行“压枪跑”——不根据发令枪起跑,而根据自己预计的发令枪时间“赌”一把,如果反应时间超过100毫秒,那就是成功的起跑。
 
2010年,国际田联全面实行“零抢跑”规定,运动员只要抢跑一次就会被取消资格。在此之前,运动员被允许抢跑一次,只有累计两次抢跑才会被罚下。在“零抢跑”规定之前,不少的运动员都会使用压枪跑的策略,缩短起跑反应时间或扰乱对手的心态。有趣的是,有研究者比较了2009年和2011年的世界田径锦标赛短跑数据,发现在“零抢跑”规则之后,运动员的起跑反应时间有了显著的增加。
2011年大邱田径世锦赛的男子100米比赛中,世界纪录保持者博尔特也因为一次抢跑被罚下 | Erik van Leeuwen / Wikimedia Commons
 
100毫秒是太长还是太短,目前仍无定论。随着人类对躯体机能的了解加深,关于起跑反应时间的规则也会有更多更深入的讨论,例如男女是否应该制定不同的反应时间标准,准备提示到发令枪的时间又应该如何合理控制。
 
这是不断突破极限的奇迹,也是不断了解自身的契机。
 
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[25] https://sports.qq.com/a/20120225/000404.htm
 
[26] https://sports.qq.com/a/20190221/006769.htm
 
一个AI
 
跑不过博尔特?不不,在你的身体里,神经信号从脑干传导到肢体的速度可比博尔特快。
 
本文经授权转载自微信公众号“果壳”。编辑:麦麦,窗敲雨。



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