ジャンプ

跳躍とは、生物または非生物（例えばロボット）機械システムが弾道軌道に沿って空中を推進する移動形態である。跳躍は、空中での滞空時間が比較的長く、初期発射角度が高いことから、全身が一時的に空中に浮くランニング、ギャロップ、その他の歩行様式とは区別される。

カンガルーのように、跳躍（この場合は一般的にホッピングと呼ばれる）を主な移動手段として用いる動物もいれば、カエル​​のように、捕食者から逃れる手段としてのみ跳躍を用いる動物もいる。跳躍は、走り幅跳び、走り高跳び、障害飛越競技など、様々な活動やスポーツにおいても重要な要素となっている。

跳躍動作はすべて、基質に対して力が加えられることで行われ、その結果、跳躍する者を基質から押し出す反作用力が生じる。反作用力を生み出すことができる固体または液体であれば、地面や水を含め、基質として機能することができる。後者の例としては、イルカの移動跳躍や、インドスキッターガエルが水中から立ち跳びを行うことなどが挙げられる。

跳躍する生物は、大きな空気力にさらされることはほとんどなく、その結果、跳躍は弾道軌道の基本的な物理法則によって支配される。したがって、鳥は飛行を開始するために空中に飛び上がるかもしれないが、空中に飛び上がった後のいかなる動きも跳躍とはみなされない。なぜなら、最初の跳躍条件がもはや飛行経路を決定づけるものではないからである。

発射の瞬間（つまり、地面との接触が最初に途切れた瞬間）以降、跳躍者は放物線軌道を描きます。発射角度と初速度によって、跳躍距離、跳躍時間、跳躍高が決まります。投射物の水平方向の最大飛距離は発射角度45°で得られますが、35°から55°の間の発射角度であれば、最大飛距離の90%に達します。しかし、人間の場合、水平方向の飛距離を最大化する跳躍角度はそれよりも低く、約23～26°です（下記の「立ち幅跳びのメカニズム」の項を参照）。

筋肉（または非生物系におけるその他のアクチュエータ）は、ジャンプの推進段階において、跳躍者の体に運動エネルギーを加える物理的な仕事を行います。その結果、跳躍時の運動エネルギーは跳躍者の速度の二乗に比例します。筋肉の仕事量が多いほど、跳躍速度は大きくなり、加速度も大きくなり、ジャンプの推進段階の時間は短くなります。

跳躍距離と高さは、機械的パワー（単位時間あたりの仕事量）とそのパワーが作用する距離（例えば、脚の長さ）によって大きく左右されます。そのため、多くの跳躍動物は、筋肉の力-速度関係に基づいて最大パワーを発揮できるよう最適化された長い脚と筋肉を持っています。しかし、筋肉の最大出力には限界があります。この限界を克服するため、多くの跳躍動物は、腱やアポデームなどの弾性要素をゆっくりと事前に伸ばし、ひずみエネルギーとして仕事を蓄えます。このような弾性要素は、同等の筋肉量よりもはるかに高い速度（高いパワー）でエネルギーを放出できるため、筋肉単独では不可能なレベルまで跳躍エネルギーを高めることができます。

跳躍者は、跳躍を開始する時点で静止している場合と移動している場合がある。静止状態からの跳躍（つまり、立ち跳び）では、跳躍開始時に体を加速させるのに必要なすべての仕事が、単一の動作で行われる。移動しながらの跳躍、または助走をつけての跳躍では、跳躍者は跳躍開始時に垂直方向の速度を加えつつ、水平方向の運動量をできるだけ維持する。静止状態からの跳躍では、跳躍開始時の跳躍者の運動エネルギーは跳躍動作のみによるものであるのに対し、移動しながらの跳躍では、跳躍前の水平方向の速度が加わることで、より高いエネルギーが得られる。したがって、助走をつけて跳躍する方が、跳躍者はより遠くまで跳躍することができる。

動物は跳躍のために様々な解剖学的適応を利用している。これらの適応は跳躍の開始にのみ関係しており、跳躍後の飛距離を伸ばしたり跳躍を制御したりする方法は空気力学的な力を利用する必要があり、そのため滑空やパラシュート降下とみなされる。

水生生物は、跳躍に特化した特徴をほとんど示さない。跳躍力に優れた種は、主にスピードに適応しており、高速で水面まで泳ぐことで移動しながら跳躍を行う。陸上でも跳躍できる水生生物はごく少数で、例えばトビハゼなどは尾を軽く振ることで跳躍する。

蓄積されたエネルギーによる電力増幅

バッタは、跳躍距離を伸ばすために弾性エネルギー貯蔵を利用します。跳躍距離の主な決定要因は出力ですが、生理学的制約により、筋肉の出力は筋肉1キログラムあたり約375ワットに制限されます。^{[ 2 ]}この制限を克服するために、バッタは内部の「キャッチ機構」を介して脚を固定し、筋肉が弾性のあるアポデーム（脊椎動物の腱に似ています）を伸ばします。キャッチが解除されると、アポデームは急速にエネルギーを放出します。アポデームは筋肉よりも速くエネルギーを放出するため、その出力はエネルギーを生成した筋肉の出力をはるかに上回ります。^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

これは、人間が手で矢を投げるのと弓を使うのとの違いに似ています。弾性エネルギー貯蔵（弓）を使うことで、筋肉は力-速度曲線上で等尺性に近い状態で動作することができます。これにより、筋肉はより長い時間仕事を続け、そうでなければ生み出せないほどのエネルギーを生み出すことができます。一方、弾性要素は筋肉よりも速くその仕事を放出します。弾性エネルギー貯蔵の使用は、跳躍する哺乳類やカエルにも見られ、同等の筋肉量の2～7倍のパワー増加が見られます。^{[ 6 ]}

ジャンプを分類する方法の一つは、足の移り方による分類である。^{[ 7 ]}この分類システムでは、5つの基本的なジャンプの形態が区別される。

• ジャンプ– 両足でジャンプして着地すること
• ホップ– 片足でジャンプし、同じ足で着地する動作
• 跳躍– 片足でジャンプし、もう一方の足で着地する
• アサンブレ– 片足でジャンプして両足で着地する
• シソンヌ– 両足でジャンプして片足で着地する

跳躍歩行は、走行歩行（移動方法を参照）とは異なり、キャンター、ギャロップ、ストッティングまたはプロングが含まれます。^{[ 8 ]}また、一部の資料では、跳躍を、1回の跳躍から次の跳躍までのエネルギーを維持するために使用される、繰り返しの跳躍の周期的な動きとして区別しています。^{[ 9 ]}

ジャンプの高さは、トランポリンを使用したり、ハーフパイプなどの装置を使って水平方向の速度を垂直方向の速度に変換したりすることで高めることができる。

アスリートの垂直跳びの高さを向上させるには、さまざまなエクササイズを用いることができる。そうしたエクササイズの一つであるプライオメトリクスは、跳躍に関連する個々の動作を繰り返すことで、スピード、敏捷性、パワーを高める。

研究によると、身体活動量の多い子供は、ジャンプ（およびその他の基本的な運動技能）のパターンがより熟練していることが示されている。^{[ 10 ]}

子供の跳躍能力の発達は年齢と直接的な関係があることも指摘されています。子供が成長するにつれて、あらゆる形態の跳躍能力も向上することがわかっています。跳躍能力の発達は、若い年齢では身体的な違いが少ないため、大人よりも子供の方が容易に識別できます。同じ年齢の大人でも、身体能力や運動能力の点で大きな違いがある場合があり、年齢が跳躍能力にどのように影響するかを把握するのは困難です。^{[ 11 ]}

2021年、研究者たちはラチェット機構をロボットの設計に組み込み、垂直方向に30メートル以上ジャンプできるロボットを開発した。^{[ 12 ]}

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