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- 603期－一起運動吧（3月號）
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2020-03-01用對「力」了嗎？從健身器材中尋力學、找物理
603 期
Author 作者
陳億成／臺北市立大學運動器材科技研究所教授。
全民運動的興起
根據國家發展委員會的數據，預估到2026年臺灣老年人口將突破20％門檻，走向超高齡社會。行政院衛生署也指出，由於臺灣健保「俗擱大碗」，「保費低、給付多、管理成本低、看病無障礙」，是各國羨慕的制度，更為臺灣人民健康的守護神。內政部也指出由於醫療水準提升、食品安全重視、生活品質提高及運動風氣盛行，臺灣人平均壽命長期呈現上升趨勢，以近10年來看，2008年國人平均壽命為78.6歲，2018年達到80.7歲，顯示臺灣人確實越來越長壽。
有鑑於平均壽命愈來愈高，且期望在有品質的健康生活要求下，使臺灣人對於健身的運動風氣越來越興盛。依據體育署調查，規律運動人口已超過三成達到近10年新高，也讓健身器材業者看到臺灣逐漸走向歐美健身房經營「汗水換黃金」的商機。另外，財政部的資料也顯示，健身場館年營收上看百億，而且市場仍未飽和，預期還會再夯5~10年。
春節剛過，相信很多人都會想到，過年間飲食沒控制，身材有點走樣了，年後趕快利用健身運動來消耗身體囤積太多的熱量，於是就想去運動中心、健身房運動。但很不巧的是，今（2020）年碰到SARS-CoV-2病毒大傳染，政府鼓勵人們盡量少去公共場所，以免造成群聚感染。因此，根據媒體網路電商在農曆年後報導，年後瘦身需求因而帶動居家健身器材買氣狂飆，暴增5成。所以，如何善用不同健身器材的特性，進而提身自體免疫力，已成為抗煞健身的顯學。
殺雞焉用牛刀─健身器材的選擇
人要活就要動，正如競技選手需要不斷的自我訓練，才能獲得奪牌機會。跑步機的出現，正是因為競技選手思考如何避免日曬雨淋之下仍能跑步練習而問世。然而，讀者不是競技選手，要的不是競技場合上的成績，而是希望藉由健身器材來提高健康品質的自體免疫力，但是，如何挑選健身器材呢？
一般健身器材依使用目的可分為兩種，一種用於心肺訓練，例如跑步機、健身車、橢圓機、漫步機及划船機等；另一種則是肌力（又稱阻力）訓練，從簡單的啞鈴、槓鈴、壺鈴、滾輪到有點複雜的健身椅、史密夫機（Smith 第machine）等重量訓練器材。
然而，現今健身器材已整合體育、訓練、輔具、特殊教育、醫工、機械、電子電機、工設及資訊等學理，且在老齡化的時代裡，健身器材的使用族群就更不侷限了。所以，筆者認為只要能增加人的動作表現的器材，都能歸類為運動器材；這包括機械人的設計，既然稱為「機械人」必定以機電整合模擬人的動作。以「人」為主體下，導入運動生物力學概念，讓機械人的運動行為向人類動作學習起，這裡最基本的問題就是與重心或力有關的平衡問題了。
運動器材百百種，介入問題是一大重點。怎麼知道健身時是否需要運動器材輔助呢？該怎麼運用運動器材呢？哪一種運動器材才是適合讀者的需要呢？不要一時興起買了器材後，卻變成家裡的曬衣架，放之佔位，棄之可惜。需求與否，讀者若換個角度思考：娃娃出生落地，如何到走跑跳的過程，跟前述機器人的動作設計研究的過程是不是很像呢？都是必須考慮自我重心轉移的問題。為什麼呢？相信讀者現在一定很疑惑，由於人的重心會因為動作改變而造成重心轉移，重心一改變就產生力矩的物理現象。所以，當身體處於因為地心引力所產生的物理現象過程，就衍生出動作平衡、肌力訓練，甚至心肺訓練的學理運用。
槓桿原理在健身器材上的運用
什麼是力矩？想知道答案首先要了解槓桿原理。阿基米德（Archimedes），古希臘中最富傳奇色彩的科學家，他在數學方面有相當的成就，另外在物理、機械工程學上也有著許多重要的研究與發明，有一次更在國王面前誇口說：「給我一個支點，我可以舉起整個地球。」
看到這裡，讀者是否會認為，怎麼可能在地球上舉起地球呢？不過，若了解阿基米德所運用的槓桿原理，依照這個理論當然可以舉起地球。現在，就用下圖來說明槓桿原理：
槓桿是一種簡單機械，由直件、曲件或圓型體為主體，再配合支點、重物及施力位置的不同即構成一組槓桿機構。下圖中，梯形（W）代表重物、三角形代表支點、其中橘色箭頭為施力方向及施力點。
1.第一槓桿原理：支點在槓桿中間，在槓桿右邊向下用力，就可以把左方的重物抬起來，如公園、小學的遊戲器材場地經常可以看到的蹺蹺板、剪刀、釘鎚和拔釘器等。不過這種槓桿省力與否，要看施力點 ∕ 重物與支點的距離差異，施力點離支點愈遠則愈省力，愈近就費力；如果重物、施力點距離支點一樣遠，就不省力也不費力，只是改變了用力的方向。……【更多內容請閱讀科學月刊第603期】