Liệu các bạn có nhớ vận động viên chạy người Jamaica, Usain Bolt, người còn sống duy nhất nắm giữ 8 huy chương vàng Olympic? Tuy rằng, Bolt đã nghỉ hưu từ năm 2017, nhưng hiện anh vẫn giữ danh hiệu người chạy nhất hành tinh, với tốc độ xấp xỉ 44 km/h, chạy 100m trong chỉ 9.58 giây.
Tốc độ như vậy với chúng ta là rất khủng khiếp, tuy nhiên trên thực tế nó lại không bằng tốc độ tối đa của loài mèo nhà (48 km/h). Và nếu phải chạm chán với báo gêpa (tối đa 130 km/h) và linh dương sừng nhánh (gần 100 km/h), Bolt chỉ có thể “hít khói”.
Nhiều người cho rằng yếu tố quan trọng quyết định tốc độ của một người, một con vật là kích cỡ nhóm cơ: càng khỏe thì càng nhanh. Kết luận này chỉ đúng trong vài trường hợp nhưng trong cuộc chạy đua ngoài tự nhiên, một con voi không bao giờ thắng một con linh dương. Vậy điều gì mới thực sự là yếu tố then chốt?
Gần đây, một nhóm các nhà khoa học dẫn đầu bởi nhà nghiên cứu cơ sinh học Michael Günther thuộc Đại học Stuttgart đã thiết kế một mô hình phức tạp, bao gồm 40 thông số khác nhau như kích thước cơ thể, chiều dài chân, mật độ cơ, đường chạy, tác động vật lý… để trả lời câu hỏi trên.
Usain Bolt - Người đàn ông chạy nhanh nhất hành tinh.
Yếu tố quyết định thắng bại
“Ý tưởng cơ bản là nghiên cứu sâu về hai yếu tố giới hạn tốc độ. Đầu tiên là lực cản không khí - lực đối lập tác động lên mỗi chân khi chúng ta di chuyển về phía trước. Lực cản không khí không chịu ảnh hưởng của khối lượng, nên nó là yếu tố chi phối tốc độ giới hạn ở động vật nhỏ. Dựa theo lý thuyết trên, nếu bạn có số cân nặng lớn thì bạn sẽ chạy rất nhanh”, Robert Rockenfeller, nhà toán học tại Đại học Koblenz-Landau đồng tác giả nghiên cứu.
Yếu tố thứ hai là quán tính - lực cản một vật thể khi tăng tốc từ trạng thái nghỉ - tăng theo khối lượng. Theo Rockenfeller, khi chạy sẽ có một giới hạn thời gian để động vật tăng tốc khối lượng chính nó: khoảng thời gian giữa lúc chân đặt ngang bề mặt mặt đất đưa lên, và khi chân đã rời mặt đất. Đây là đặc điểm rất hạn chế ở động vật lớn, do khối lượng lớn nên khoảng thời gian tăng tốc sẽ ngắn hơn so với động vật nhỏ.
Theo kết quả, khối lượng cơ thể tốt nhất để vượt qua lực cản không khí và quán tính nằm trong khoảng 50kg. Đây là trọng lượng trung bình ở báo gêpa cũng như linh dương sừng nhánh. Một con mèo nhà trọng lượng 100kg có thể chạy nhanh đến 74km/h. Một con nhện trọng lượng tương tự, nếu chân đủ khỏe để giữ cơ thể không đổ, có thể đạt 56km/h. Tuy nhiên, với một người nặng 100 kg, chỉ có thể đạt 37km/h.
Nhưng kích thước cơ thể không phải đặc điểm duy nhất chi phối quá trình tối đa hóa tốc độ. Chiều dài chân cũng quan trọng. Động vật có chân dài hơn có thể đẩy cơ thể chúng về phía trước xa hơn, kéo dài thời gian tăng tốc khối lượng cơ thể.
Tại sao động vật 4 chân chạy nhanh hơn con người?
Không phải vì chúng ta chỉ có 2 chân, mà vì thân người nằm vuông góc với mặt đất khi đứng thẳng, đây là vị trí chịu toàn bộ lực hấp dẫn. Chúng ta tiến hóa lên hai chân để ưu tiên sự cân bằng và ổn định hơn là ưu tiên tốc độ. Động vật 4 chân có bộ khung xương linh hoạt có thể co, duỗi uyển chuyển giúp chúng kéo dài thời gian chân tiếp xúc mặt đất, vì vậy chúng chắc chắn chạy nhanh hơn con người.
Động vật 4 chân có bộ khung xương linh hoạt.
Còn vấn đề mỏi cơ?
Theo Günther, nó không đóng vai trò quan trọng. Bất kỳ loài động vật nào cũng có thể tăng tốc lên ít nhất 90% tốc độ tối đa trước khi hết nhiên liệu. “Nó sẽ hợp lý khi gọi đó là cơ sinh học hơn là cạn kiệt nhiên liệu. Các sinh vật đã tiến hóa để vượt qua điều đó, nhưng giả thuyết này cần kiểm chứng kỹ hơn”, quan điểm của Carl Cloyed, một nhà sinh thái học tại Phòng thí nghiệm Biển Đảo Alabama’s Dauphin, chuyên về chuyển động của động vật.
Nhưng nhiều nhà khoa học lưu ý rằng, quá trình kiểm chứng giả thuyết trên đòi hỏi phải bắt động vật sống, quan sát chúng trong môi trường phòng thí nghiệm, hoặc quan sát những thước phim chạy nước rút của chúng. Cách tốt nhất là cấy cảm biến cơ học vào bên trong cơ bắp, theo dõi chúng trong môi trường tự nhiên. Tuy nhiên, điều này sẽ vấp phải chỉ trích về đạo đức cũng như thách thức về hậu cần.
Cloyed muốn quan sát những kết luận trên đối với động vật sống trên trời và dưới nước. “Nếu lời giải thích này là đúng, thì nó cũng phải đúng trong các phương tiện môi trường khác”, ông nói.
Nghiên cứu trên đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Đối với nhà sinh thái học, họ có thể biết hạn chế tốc độ tác động như thế nào đến sự hình thành dân số, chọn lựa nơi sống, động lực cộng đồng… Trong lĩnh vực chế tạo robot và kỹ sư y sinh, việc tìm hiểu mở ra cánh cửa dẫn đến khả năng tối ưu hóa tốc độ trên máy hồi phục sau chấn thương, hay tay chân giả.
Có lẽ trong tương lai sẽ có người phá vỡ kỷ lục của Bolt, nhưng cơ sinh học của việc chạy nước rút chứng minh cơ thể chúng ta đã tiến hóa đến giới hạn thể chất của con người. Danh hiệu chạy nhanh nhất của “Tia chớp” người Jamaica hay bất kỳ ai chỉ có thể áp dụng ở loài người, còn trong vương quốc động vật, chúng ta không có cửa thắng.