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看完热闹看门道——奥运中的科学（十七）: songshuhui 2008-9-4 14:20; 科学松鼠会发表于2008-01-17 星期四 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。举重选手最动人的姿态要数高高举起杠铃的瞬间了，如果说双臂形成的V字象征胜利，那么这种V型姿势确实和胜利大有关系。大力士的运动谁是世界上力气最大的人？伊朗运动员侯赛因.雷扎扎迪赫在2004年雅典奥运会上举起了263.5公斤的杠铃，这是一头奶牛的重量！人类在和地球引力的拔河中，不断尝试着突破自身的极限。世界上每一种文明几乎都有关于举重的诸多记载和传说。要想比试出谁是绝对的大力士，最公平、最过硬又最简易的办法莫过于找个沉重的物件高举过头了。1896年第一届奥运会上，举重就荣列正式比赛项目，运动员不分体重级别，设有单手举和双手举。早期举重器材也简单粗陋并且重量固定。后来发明了横杠两头安上空心金属球，可以通过增减里面的铁砂来调节重量。因起落之间会发出叮叮咣咣的摇铃之声，由此得名杠铃。而1910年法兰克福游戏展览会上首次出现的片杠铃，则成了举重史上重要的里程碑。 1928年阿姆斯特丹奥运会将举重比赛规范为双手抓举、挺举、推举三大项并保持了45年，直到1973年第47届世界举重锦标赛取消了推举。在今天特制的举重台上，不同颜色标志不同重量的杠铃片免除了每次称重的繁琐；美观柔韧的橡胶包层彻底消除了刺耳的金属磨擦碰撞噪音；精密的套筒、卡箍把杠铃装配成一个紧密无间的整体器械。千万不要以为举重只是一举之功的力气活。这个短短几秒钟之内的举手之劳却包含了最丰富生动的物理学、生物学知识。有人把举重的要诀归纳为近、快、低。从提铃到举起，都要求杠铃尽量贴近身体纵轴，否则便会因重力和惯性产生的力矩导致身体失去平衡。让杠铃的重力作用线通过或接近两脚形成的支撑面中心，有利于发力并减少无用和有害分力，并充分发挥身体的杠杆作用。杠铃重心上升的S形曲线应尽量靠近支撑面中心垂线，弧度越小越好。快的价值在于以爆发力赋予杠铃足够的加速度和上升高度。优秀运动员提铃时，杠铃垂直上升速度约为1.6米/秒，出现超重现象。发力峰值达到人铃重量之和的1.5倍以上。而迟缓的生拉硬拽必然导致事倍功半，是举重动作的大忌。低的要领在于发力后体位迅速下降。由于提铃高度不可能与肩平齐，而只能拉到腰部，这时必须赶紧放下身段，屈尊下就，充分利用宝贵的零点几秒时间，抢在杠铃下落之前将胸部转入横杆之下并将它稳稳接住。人体重心下降速度之所以能够超过自由落体，是因为用力向上提肘时，反作用力能够使下蹲加快。剩下的事便是靠着强大的两腿和躯干力量站立起来了。身体重心降得越低，杠铃需要提起的高度就越低。二十世纪六十年代中国运动员首创的下蹲式比箭步式更快、更有效降低身体重心,因而能提拉起更重的杠铃，已经为各国选手争相效法。而杠铃的下砸力峰值相当于人铃总重量的1.6倍。优秀运动员都懂得应适度上抛杠铃，在确保动作完成的前提下，尽量减少回降距离。和提铃动作不同，在完成上挺时杠铃重心更高，下蹲挺虽然动作简洁，手部撑铃点低，但深蹲后杠铃下砸惯性大，身体支撑面小，前后方向稳定性差，稍有偏差就可能掉铃。而箭步挺前后分腿形成较大的平衡角，容易通过调整力量完成起立支撑。这两种技术的选择也许应该因人而异吧。举重选手最动人的姿态要数高高举起杠铃的瞬间了，如果说双臂形成的V字象征胜利，那么这种V型姿势确实和胜利大有关系。因为较宽的握距有利于减少需要举起的高度。这里服从的原则还是一个低字。较宽握距减少需要举起的高度为什么每个运动员的挺举成绩都毫无例外地高于抓举成绩？原因在于抓举要求不能停顿，需要一气呵成，如同将所欠的重力债务一次付清，而挺举却能分成两个步骤，相当于对重力债务分期付款，不仅减少了杠铃一次上升的必要高度，而且身体能得到休息和调整。当停顿在运动员的三角肌和锁骨处的杠铃颤颤悠悠蓄势待发时，接着几乎是一次抛掷和起跳，运动员身体的弹性也更充分地派上用场了。举重是靠瞬间爆发力取胜的高强度无氧运动。需要调动腿、腰、背、肩、臂等全身肌群的力量。发力时运动员屏息憋气、青筋怒张、瞬时血压能窜升到300毫米汞柱以上。一项测试和统计表明，举重运动后由于椎间盘软组织受到压缩，身体可被压矮3.6毫米，由于推举极易使运动员脊柱受伤，所以1972年奥运会后被正式取消。常常看到有文章说蚂蚁才是自然界的举重冠军，能够举起体重10到20倍的东西。其实人的尺寸如果降到蚂蚁那么大，举重表现将毫不逊色。当代举重运动按选手体重男子分成8个等级，女子分成7个等级，虽然块头大的力气也肯定大，但体重的增量和成绩的增量并不成线性关系。男子56公斤级的世界冠军穆特鲁.哈里尔能挺举168公斤，是自己体重的3倍，而当今头号大力士侯赛因.雷扎扎迪赫创造的超重量级挺举世界纪录263.5公斤，只是自己体重162.5公斤的1.62倍。人体肌肉的重量按立方关系计算，而力量大小却由肌肉截面积决定，按平方关系计算。辛克莱系数便是一个对不同级别的运动员进行统一标准评估的方法，它以每个奥林匹克年度世界顶尖运动员的动态统计数据为基础，根据不同选手体重和成绩，算出他们身体效率和素质当量的辛克莱点数并进行排名。体重越重，系数越低。回到自然界谁是真正大力士的问题，如果蚂蚁长到人的尺寸，恐怕早被自己的体重压得举步维艰了，那还谈得上举重？我们这里要说到另外一个名叫卡列林的体坛大力士，他曾经很轻易的将一台电冰箱扛上8楼。但他不是一名举重运动员，而是著名的俄罗斯摔跤之神。他最拿手的卡列林托举能把对手举过头顶再抛到地上。从某种意义上，摔跤确实是把对手当作一个重物来搬动和发落的。世界上尽管有6大跤种，临场上的战术千变万化，但却都离不开一条最基本的力学原则，那就是保持自己的平衡和破坏对手的平衡。奥运赛场上的古典式摔跤是大搂大抱的力量型角逐，但双方抢夺有利把位，施展推、拉、拿、压、扭等动作发起进攻，都是为了用足够的力矩让对方重心超越支撑面边缘而翻转倒下。同时以灵活的步伐不断调整支撑面、扩大支撑角来保持重心稳定。站立摔跤中漂亮的过胸摔、过背摔都是费力杠杆，以自己的身体为支点撬动对手健硕的身躯，将他掀翻在地。跪撑姿势中最经典的滚桥技术则靠自己前额和双脚拱起一座桥，通过身体滚动向对方施加足够的角动量，让他从桥上翻转。防御的选手又总是尽量五体投地，最大限度降低重心和增大支撑面，以确保身体平衡。跪撑摔跤中最高潮的一幕莫过于胜利者用后抱提、反抱提动作将对手提离地面失去支撑，让他的身体在空中划出一个大弧度曲线而直接倒地。当卡列林十多年来在摔跤场上屡屡得手时，用力方式的确如同在托举和抛掷一口沉重的麻袋。自由式摔跤的选手尽力猫腰弓背将重心下潜，两腿闪展腾挪改变支撑面，都是为更好保持自身稳定。抱腿作为主要的攻击手段，则是最直截了当破坏对方的支撑。后抱提动作中国式摔跤的特色是灵活机智干净利索，胜败输赢一目了然。不崇尚扭作一团的蛮力，更讲究借力打力的巧劲。中国跤的许多绝招都不和对方的力量正面冲撞，而是避实就虚，顺着对手力的方向加力，或沿着垂直方向施以横力，收到顺手牵羊、四两拨千斤的效果。那些背、别、挑、缠、揣、踢、拧、搂、弹、掰、抱腿、跪腿、里勾腿、插闪、勾脚等动作都充满了力的加减乘除和重心的起伏跌宕，是关于杠杆、力矩、力偶、角动量等概念的最生动形象地诠释。观看地球上最强壮的人在奥运会上徒手角斗是惊心动魄又遐想联翩的。谁能最后胜出不仅要看力气大，还要看他的一招一式能否遵循牛顿先生的教导。上一篇：射箭的弦外之音标签：举重 , 奥运 , 摔跤 , 科学 , 科技之光; 个人分类: 奥运|1690 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（十八）: songshuhui 2008-9-4 14:19; 科学松鼠会发表于2008-01-18 星期五 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。自行车只有两个轮子却可以不倒，其中的道理曾引起人们长期的推究。这是一个可控制运动的稳定问题。自行车源流自行车是人类最机智和简洁的发明，也是奥运会上唯一用轮子代替脚步的竞赛项目。百年来，这种一个三角加两个圆圈的坐骑凝聚了无数人的聪明才智，今天的自行车在场地赛中追风逐电，在公路赛中各展英姿，在越野赛中踏平坎坷，在小轮车竞赛中绝技百出。自行车家族实在称得上是体育运动中的泱泱大族了！那些形貌怪异，幼稚原始的自行车古董也许会让人哑然失笑，但它们是现代自行车的往昔和童年。1817年，德国人德莱斯制造出既无传动也无转向装置的木马轮，这种号称快脚的玩具是自行车最早的雏形。1861年，法国米邵父子发明的虎头蛇尾的自行车曾风行欧洲，双脚每当踩动一小圈，巨型的前轮就旋转一大圈，因此获得很高的速度。但由于重心太高安全性差而终遭淘汰。1869年法国人发明了链条传动，使得自行车两轮匀称，重心降低，基本框架和形制渐渐确定了下来。早期自行车现代奥运会诞生的年代正是自行车的黄金岁月，美国早期公路改善的主要推动力是自行车的普及，莱特兄弟发明飞机显然也得益于身为自行车生产商所积累的机械知识，法国早期电影中的频繁出现的自行车显示了它们的普及程度，而据说爱因斯坦正是在骑自行车时产生了相对论的灵感。人类社会很早就认同了自行车文化，第一届奥运会上自行车成为竞赛项目是顺理成章的。自行车只有两个轮子却可以不倒，其中的道理曾引起人们长期的推究。这是一个可控制运动的稳定问题。当我们在车身倾斜时将车把转向同侧，而人车重心的惯性力却继续向前，便和前轮支撑点之间产生力矩，将自行车扶直。即使车速很慢时也能起到不断调整支撑面的作用，让前后轮接地点的连线始终处于自行车重心之下，动态抵消它的倾翻力矩。这很像来回挪动手掌让上面直立的扫帚保持平衡。另一方面，陀螺效应让一切旋转物体都倾向于保持原有旋转轴不变。伸出右手，如果四指表示转动方向，旋转轴便会在大拇指方向储存相应的角动量。有人设计过一个有趣的实验，将自行车轮子安在弯月形底座的支架上，结果显示只有车轮快速转动才能维持支架的稳定平衡。惯性力和前轮支撑点之间产生力矩将自行车扶直自行车在空气中的阻力和速度的平方成正比。测试表明，当车速度上升到每秒11米时，空气阻力便占前进总阻力的80%。而最有效的措施是减少人-车系统在前进方向上的截面积。身体蜷伏、臀部高跷、背部平直的骑行姿势能大大减少空气阻力，羊角把的设计便是为了成全这种姿势。至于斜躺式自行车，虽然符合空气动力学原理并创造过更好成绩，但由于几乎变成了另一种运动而没有被国际自行车联所承认。如何在确保自行车铁三角稳定强固的前提下减轻重量，这是设计者们持久的课题。铝合金取代钢铁是一大进步，钛金属则是强度和重量比最好的材料。而更轻更强的碳纤维能够让设计者像一个巧裁缝，按照车架不同部位受力差异来调理碳纤维的分布方向。 1992年巴塞罗那奥运会自行车比赛中，鲍德曼为英国队夺得72年来的第一块金牌，他坐下那辆价值连城的全碳素自行车总重量还不到9公斤。除了重量轻，鲍德曼的坐骑最引人注目之处还包括没有辐条的碟形车轮。其实人类最初发明的轮子就是一块圆形木板，为了减轻重量才创造了辐条。但在前进中，车轮上部的速度是车速的两倍，高速旋转的每根辐条都会产生小的气流漩涡给行进带来阻力。难怪运动员抱怨说辐条简直像一个搅蛋器了。现代超轻型材料使辐板车轮成为可能，并能将空气阻力降低5%。车轮上部的速度是车速的2倍自行车轮胎同样大有讲究。我们知道，即使火车在铁轨上行进，车轮和轨道的接触点也要发生相应的弹性形变。自行车同样靠车胎压扁后和道路的接触面积来承担负荷。公路赛车的车胎宽度不足一英寸，打足气后行驶在坚实平坦的地面上，摩擦力和空气阻力都能减少到最低限度。但山地车为了适应不规则的粗糙地面和跨越坑洼沟坎，就必须用较宽和布满结节的轮胎实现和地面的良好接触并产生有效驱动力了。自行车的力量传动通过一系列的轮轴来完成。轮轴实质上就是以轴心为支点的连续旋转杠杆。脚蹬和牙盘构成了省力轮轴，后轮和飞轮构成了费力轮轴。多组变速齿轮的灵活切换能让自行车运动员在不同环境状况下选择最合适的蹬车频率。上坡时可以每蹬两圈让轮子转一圈，平地时可以每蹬一圈让轮子转两圈。要想知道省力和用力的效能，只要数一数飞轮上的齿和牙盘上的齿，就能通过除法计算出传动比了。脚蹬和牙盘构成了省力轮轴，后轮和飞轮构成了费力轮轴当一队自行车选手不即不离、衔尾相随时，我们不由想到南飞的雁群在天空排成的一字和人字。大自然让这些聪明的鸟儿更早懂得了空气动力学并知道如何在长途迁徙中节约体能。场地赛和公路赛中，尾随的选手如果待在领骑者背后的涡流里，空气阻力就会明显减少。有趣的是，后面的选手因为削弱了涡流效应，能使得前面运动员也因此受益，减少所承受的压差阻力。这就是为什么两位选手成双成对接踵而行要比一位选手孤骑独踪的速度更快。不过尽管有双赢效果，先行者仍会付出更多消耗。跟随的选手骑行中能减少空气阻力随着自行车竞赛的速度接近极限，人们便越来越从细微末节处挖掘点滴效能了。用有限元分析法将自行车分解为上万个单元，通过虚拟风洞优选出部件；把自行车的管材截面从圆形改成椭圆或水滴型；让刹车线和变速线乃至每处螺栓、螺母都隐藏在车身内；特别由于轮圈和轮胎远离轴心，具有最大的转动惯量，因此除了尽可能减轻重量还需将胎内的压缩空气换为氦气任何铢积寸累都值得珍惜，计算表明，自行车在每小时30英里速度下，只要将阻力削减1%，就能每英里领先5英尺。这是一个足以决定夺取金牌还是名落孙山的数值！ 2008年北京奥运会传来的一大喜讯，便是小轮车首次被列入正式竞赛项目。这种二十世纪七十年代才在美国加州年轻人中风行的变种自行车轮子直径为20英寸，以简便、轻巧、灵活、抗震、耐摔而著称。独特的车把能旋转360度，前后轮两旁还可安装称为火箭筒的金属管，为各种花样动作提供落脚点。小轮车之所以便于操纵，因为它的尺寸大小和人的运动器官比例相匹配，十分符合人体工程学原理，高明的骑手能充分达到人车合一的境界，让小轮车成为器官的延伸甚至身体的一部分。生物学家曾长期困惑于大自然为什么没有进化出轮子，小轮车的问世也许可以算一种补偿。这个充满冒险犯难精神的平民化车种进入奥运殿堂，为日益贵族化的古老自行车家族增添了青春活力和时代气息。也将更多更复杂的力学关系引进了自行车运动领域。2005年1月5日，伦敦科学博物馆恭请18岁的小轮车高手华莱士表演了物理学家泽斯基精密设计的爱因斯坦空翻，用这个连人带车腾空翻转360度的极限动作揭开了爱因斯坦年的序幕。小轮车表演为英国2005爱因斯坦年拉开序幕曾经有统计显示以骑自行车为工作常态的邮递员平均寿命最长。而用科学的尺度来衡量，在任何机械和生物的运动包括人的步行中，自行车的高效和节能都是无可比拟的。健身，怡情，节能，环保，奥运会为推动自行车全球普及所发挥的特殊作用，集中体现了崇高的奥林匹克精神。上一篇：大力士的运动标签：奥运 , 科学 , 科技之光 , 自行车; 个人分类: 奥运|1696 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（十九）: songshuhui 2008-9-4 14:19; 科学松鼠会发表于2008-01-19 星期六 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。球的旋转必然带来飞行轨迹的弯曲，旋转和曲线共存，这大约可以视为球类运动的一个通则。从香蕉球说开去绿茵场上经典的任意球常常成为电视台反复播放的精彩瞬间。随着一记劲射，足球在绕过人墙眼看要飞出场外时却又魔幻般拐过弯来直扑球门，这就是神秘莫测、防不胜防的香蕉球。打从贝利1966年在伦敦世界杯赛中踢出了第一个美丽的弧线后，香蕉球便成为越来越多大牌球星们的基本功底和拿手好戏。被誉为万人迷和英格兰圆月弯刀的贝克汉姆一次次用最优雅的贝氏弧线博得世界的喝彩，金左脚卡洛斯的炮打双灯为足球史留下了一段佳话，而绿茵拿破仑普拉蒂尼踢出的香蕉球横向飘移量竟达5米之多，使他成了至今无人挑战的任意球之王。医学研究表明，人的大脑在接受和处理视觉信号时有一个延迟系数。我们很大程度上依靠从小就习惯的抛物线轨道来预测物体的飞行方向，而在空中自动拐弯的香蕉球足以让最老练的守门员判断失误。按照谢菲尔德大学研究者的话，等看到球越过人墙时，也许就已经进网了。阿根廷队里克尔梅任意球射门香蕉球为什么会在飞行中拐弯？这里不妨先从流体的粘滞性说起。当我们把手伸进水中再拿出来，手的表面会粘上一层水。同样，球的表面也附着一层薄薄的空气，当香蕉球一边飞行一边自转时，会带动表面的空气一起旋转,其中一侧转动的线速度和球的前进速度相加，使得迎面气流受到较大阻力，另一侧情况则恰恰相反，自转的线速度和前进速度相减。于是带来了球的两侧气流速度不同。根据伯努利原理流速越快压力越小。香蕉球便受到一个侧向的力，也称马格纳斯力，导致了飞行轨迹的弯曲。伸出右手，用食指表示球的飞行方向，蜷曲的三指表示球的旋转方向，与食指水平垂直的拇指则表示马格纳斯力的方向。古斯塔夫.马格纳斯是德国物理学家，他曾在1852年研究过旋转的炮弹和子弹所受到的侧向力。此后，物理学大师汤姆森作过一个著名的实验：让空气流过以不同速度旋转的球体时，将U型玻璃管两端贴近球面的两侧，通过观察U型玻璃管内两边液面的变化来测定球体两侧压力的差异。汤姆森的试验其实早在1954年世界杯赛中，巴西足球前辈迪迪就已经踢出了弧线球，不过那是叫干树叶。英国谢菲尔德大学甚至研究了为什么是南美人而不是欧洲人发明了香蕉球。他们确信，过去的足球用皮革制成，极易吸收水分而增加重量，使得旋转后的弧线效果大打折扣。南美气候比起欧洲干燥，因此香蕉球的弧线效应更加明显和易于被人发现。事实也证明，随着布满微型气泡的防潮防水合成材料取代了天然皮革，随着热粘合技术制造的14拼块足球取代了手工缝合的26块或32块六边形拼成的传统足球，踢出香蕉球的难度大大降低了，弧线效应也越来越显著和强化，新款足球飞火流星团队之星问世时，都曾被称作守门员的杀手和噩梦。足球制造现在让我们把视线从绿茵场转到乒乓球桌上，这里大展雄风的弧圈球其实是另一种弯曲度向下的香蕉球。当对方来球下降时，让手中的挥拍速度达到最大值。击球瞬间通过用手腕拧球，尽量将球吸在胶皮上，使摩擦力大于撞击力。这样打出的急剧上旋球便会产生马格纳斯效应，球的飞行路径即第一弧线向下拐弯，弹起后的第二弧线则低沉平直，并急剧前冲和迅速下坠，令人难以招架。弧圈型上旋球是日本人中西义治从拉攻技术中分离出来的。上个世纪五十年代，欧洲削球曾经雄霸世界乒坛，别尔且克、西多等名将的加转球号称只有起重机才能拉得起来。而日本运动员发明的弧圈型上旋球却在二十世纪六十年代大破欧洲削球高手组成的联队。经过多年嬗变和演进，今天的弧圈球已经成为世界乒坛最富攻击力的主流技术。马格纳斯力的影响还突出表现在棒球、网球和高尔夫球比赛中。球的旋转必然带来飞行轨迹的弯曲，旋转和曲线共存，这大约可以视为球类运动的一个通则。但高尔夫球宁可不要光洁的面孔，却选择一张麻子脸，让浑身布满500来个小坑，其中还有更多的奥妙。原来高尔夫球在飞行过程中，附着于表面的空气边界层会在球的尾部脱离并产生漩涡，形成低压区。球的前沿和后沿之间的压差阻力严重阻碍球的前进。而相对粗糙的表面能使边界层空气更好附着和延迟分离，从而减少压差阻力。此外，以下旋为主的高尔夫球还能因马格纳斯力而带来升力，增加停留在空中的时间。难怪麻脸高尔夫球一杆能打出200米开外，而光滑的高尔夫球却只能打出几十米了。飞行中高尔夫球与光滑球体比较但排球却给了我们另一种扑朔迷离的体验，那便是二十世纪六十年代，著名日本教练大松博文首创的飘球技术，他率领的东方魔女曾靠着这一法宝荣登世界冠军宝座。和急速旋转的香蕉球、弧圈球恰恰相反，飘球的特点是完全不旋转。这就需要击球时直线挥臂、骤打突停、让作用力通过球的重心。飘球的飞行轨迹飘晃不定、十分诡异，可偏离正常抛物线轨道达0.5米，并且具有随机性和不可预测性，因此极易造成接球的困难和失误。谈到飘球的机制和原理，我们不妨讲一点别的故事，也许有助于打开思路。高耸的钢制烟囱在大风中会剧烈摆动、圆形截面的输电线会发出尖锐呼啸；发电厂热交换器排管在高速气流中会轰鸣震荡；潜水艇细长的潜望镜筒在波浪中前进时会扭动弯曲而影响观察，圆形桥墩在激流中则会受到严重破坏。著名的美籍匈牙利裔物理学家冯.卡门教授曾经深入研究过这一现象，发现流体绕过柱状物体时，尾流两侧会交替产生成对排列的、旋转方向相反的涡旋，对物体产生交变的横向作用力。这便是著名的卡门涡街所揭示的原理。不同雷诺数下的卡门涡街三维的排球虽然不同于二维的圆柱体，但尾部形成的脱体涡流同样会引起流固耦合振动，飘球发生飘晃的原因盖出于此。从另一个角度看，当飘球的速度减小到一个临界值，阻力的突变性增大也会带来球的骤然失速而急剧下坠。香蕉球、弧圈球、麻脸高尔夫和飘球都不过是空气动力学这个神奇的万花筒中展现的一个小小景观。时刻记住我们不是在虚无的真空中，而是在大气的怀抱中运动，就会加深对体育的认识和理解。上一篇：自行车源流标签：奥运 , 科学 , 科技之光 , 空气动力学 , 香蕉球; 个人分类: 奥运|2199 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（二十）: songshuhui 2008-9-4 14:17; 科学松鼠会发表于2008-01-20 星期日 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。随着网球拍制作技术提高和头部面积增加，甜区也不断扩大，让当代运动员尝到不少甜头。话说网球如果说1988年汉城奥运会是团圆的盛会，那么这种团圆还应该包括网球在阔别64年后的重新回归。捷克斯洛伐克选手麦日奇和联邦德国选手格拉芙分别夺得男女单打冠军，网球从此又成为奥运大餐的一道主菜。早在1896年雅典首届奥运会缔造的时候，网球便是开国元勋。1900年的巴黎，网球又成为女子闯入奥运会的先驱。然而到了1924年，由于国际奥委会和国际网联对职业运动员的身份界定和参赛资格发生严重分歧，网球从此离开了奥运大家庭。半个多世纪，网球已经成为全世界赛事最多、规格最高、奖金最丰的体育运动项目，温布尔登、法网、美网、澳网的大满贯比赛如火如荼，世界顶级网球明星层出不穷。破镜重圆后的奥运会变得更加完整并迈开了向职业化开放的重要一步，网球则重新驰骋在人类最广阔的体育舞台而得以空前普及。 1920年安特卫普奥运会女子网球双打冠军吉蒂都说网球是最机智灵活又迅猛强悍的运动。美国选手罗迪克发球速度达每小时246.2公里。运动员在100多平米的地界闪展腾挪，全身640块肌肉几乎都要被调动，一场下来男子平均要跑6000米，在不允许教练场外指导的情况下独立决策1000多次。快如闪电，力如重炮，旋转落点变化无穷，这正是网球的魅力之所在。而球拍、场地与球之间错综复杂的力学关系则是至今争议不断的话题。这个穿着黄色麦尔登毛料外衣，藏在密封压力罐中的网球当年曾经是一幅寒酸相。最初的网球只是在皮革或布套内充填一些马鬃、头发和碎布之类。此后渐渐发展为橡胶内核缠上毛线。现代网球将两个橡胶半球热压充气，然后用两块形同鞋垫的呢绒垂直相吻将球覆盖，再进行接缝胶合。球的尺寸、重量、弹性都有严格规范。对于球如何在地面弹跳的机理已经属于常识。受到冲击力后网球会产生弹性形变，当压瘪的球恢复原有形状时，就将贮藏的弹性势能释放出来，推动球从地面一跃而起。网球和地面的碰撞一般不是正撞而是斜撞，惯性力的作用使球在碰撞前后水平速度损失很小，反弹力则使球获得垂直的速度分量。球的旋转和地面摩擦产生的力矩也会影响弹跳的角度。回弹之后网球大约损失40%的动能，变成无用的热和声。网球表面绒毛也绝非装饰，它的蓬松性增大了空气阻力有助于网球减速，粗糙度则有利于增强网球的旋转效应。为了适用于不同海拔高度和质地的赛场，网球也按高中低弹性划分不同的规格标准。网球和地面碰撞瞬间网球拍毫无疑问是个奥妙无穷的掌上尤物。早年网球拍的框架和手柄用实心木材制成，此后变为多层木板粘合。直到1965年才出现金属拍框，铝、镁、锌、铜等都被用来加入过合金的配方。1980年开始使用玻璃纤维、碳纤维以及陶瓷纤维和卡夫拉纤维。材料的变革使网球拍更轻量化和更有强度。由于复合材料拍框能够承受比木质拍框更强的网线拉力，因此可以将卵形拍头的面积做得更大。使得球拍的威力全面升级。如果把球拍比作一把琴，拍线便是它的琴弦。网球拍很早便用羊肠的浆膜来制作拍线，由于羊的肠子不足8米长，而一只球拍子需要约１2米拍线，于是牛肠便成了取材的首选。值得惊叹的是，尽管此后发明了尼龙、聚酯、卡夫拉等五花八门的合成纤维，但弹性和手感至今都无法超过牛肠线。当代的大牌运动员都把使用牛肠线球拍作为档次和身份的标志。不过这些动物内脏产品除了成本高，耐久性也相对较差。人们发现用尼龙纤维做网球拍的竖线以增加强度，以牛肠线作横线以增加弹性，可以收到互补的效果。天然肠线拍弦合成纤维拍弦拍弦上紧后过一段时间会自动变松，这是弹性材料蠕变的结果，应该及时调整和更换。至于究竟把球拍的网线拉力定位到多大才是最佳值，则需要因人而异，但却有基本的原则可以遵循。网弦绷得越紧，强度越大，击球时拍面的形变越小，和球的接触时间越短，施加在球上的力量也越小，但对球的控制性能好。反之如果网弦调松些，击球时拍面变形大，对球的做功时间长，传递到球上的力量也相应增大，但却会牺牲控制的精确度。如同一只弹弓，拉得越长，力量越大，但准头越差。另外还应考虑到，在网球和球拍碰撞的５毫秒左右时间里，两者都会发生弹性形变，但球的形变能量损失大，球拍的形变能量损失小。用软拍的较大形变换取球的较小形变，会更经济的使用能量。当然，拍弦的紧和松都在一定临界范围内，捕捉蝴蝶的网就没有任何弹性可言。一个有趣的事实是，你以每小时100公里速度挥拍，却可以打出每小时200公里速度的球。因为球速是挥拍速度和拍弦弹性回复速度的叠加。网球拍击球瞬间网球拍上有个最妙不可言的地方，那便是人们时常谈及的甜区。球打在甜区上时，回馈的力量最大，手上感觉的震动最小。如果球打在远离甜区的地方，则不仅力度大打折扣，而且手上常被震得麻酥酥的，如同握着一把小的风镐电钻。甜区为什么这样甜，人们至今并没有达成高度一致，但却取得不少基本共识。甜点的扩大还使得运动员罹患网球肘的危险降低，从而延长了他们的职业生涯。不妨先借棒球运动员手中的武器一用。拿一根球棒找到重心并做上记号，柄朝上垂挂起来，拿锤子敲击球棒。如果打在重心上，球棒会按照同一加速度整体移动，但如果打在远离重心的末端，球棒两头就会向相反方向转动。不断试着移动打击位置，当敲在一个恰到好处的点上时，球棒的转动轴会和握柄重合，这个恰到好处的点就叫球棒的打击中心。在这个中心上打出去的球是不会对手产生转动力矩的。网球拍的情况和球棒一样，从拍面纵轴上的一个点击球时，不会给手带来震荡和反弹。这个点附近网弦的形变复原系数也最高。另外还有一个震动节点，球打在上面时拍子引起的震动最小。所谓球拍的甜区就是这两个点相邻近的区域。随着网球拍制作技术提高和头部面积增加，甜区也不断扩大，让当代运动员尝到不少甜头。今天最快发球速度的纪录不断突破，与其说是选手们的力气一代比一代大，不如说是球拍一代比一代甜。 a 确定球棒重心 b 打击中心 c 球棒重心网球拍甜区网球场地的性能同样至关重要，它不仅关系到球会怎样跳，还决定人该怎样跑。坚守传统、富贵典雅的温布尔登网球赛是唯一使用天然草坪球场的世界顶级网球赛事。草地摩擦力小，球速快，弹跳低，运动员多在前场短兵相接。我们把草地称为快速场地是因为这里的比赛更容易速战速决。法国公开赛使用的红土场地别具特色、自成高格。这是用红砖粉碎后的颗粒铺就，表面还撒有细碎粉末的球场，运动员可以在上面滑动脚步。红土场地的摩擦系数大，球减速快，弹起高，运动员更容易在后场远程攻击并充分发挥旋转球优势。这种场地之所以被称为慢速场地是由于每球打过后有相对从容的时间等待下一个来球，整场比赛也容易形成拉锯战。美国公开赛和澳洲公开赛用的是硬场地，以水泥、沥青覆盖涂料或橡胶，属于中速球场。不少运动员在一种场地如鱼得水，在另一种场地却水土不服。费德勒是草地高手，阿加西是澳网霸主，纳达尔是红土巨星，天时不如地利，网球运动也因此而更加丰富多彩。今天先进的地下灌溉系统和激光平整技术把越来越多的科技含量注入网球场。从穷乡僻壤的学校到迪拜的七星级旅馆平台，地球上已有200多个国家拥有网球场百万个。另一番景观是从模压、钻孔、穿弦、检验的球拍生产线到源源不断的发球机喷射口，网球器材的面貌正与日俱新。网球在全世界的胜利不仅因为越来越多的职业选手相率走到了五环旗下，更因为这个曾经洋溢着奢华气息的贵族运动正走向五大洲的寻常百姓中。上一篇：从香蕉球说开去标签：奥运 , 科学 , 科技之光 , 网球; 个人分类: 奥运|1773 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（二十一）: songshuhui 2008-9-4 14:17; 科学松鼠会发表于2008-01-21 星期一 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。看来当我们说羽毛球是速度最快的球时，还应该加上一句，羽毛球也是减速最快的球。羽球穿梭羽毛球是1992年在巴塞罗那才被正式接纳为奥运会比赛项目的。不管是奥运会的疏失还是羽毛球的清高，如果从1893年英国成立羽毛球协会算起，经过整整100年，羽毛球才进入奥运大家庭，彼此之间错过得太久了。像一条水量丰沛的支流汇入波澜壮阔的大河，奥运会因为有了羽毛球而平添光彩，羽毛球也因为进入奥运会而面目一新。特别对于亚洲国家，获得奥运奖牌的机会为之大增。把羽毛球尊为国球的印度尼西亚在巴塞罗那旗开得胜，名将王莲香和未婚夫魏仁芳双双夺得男女单打冠军，雅加达以2小时的盛大游行欢迎英雄的凯旋，这是印尼自1952年参加奥运会以来首次获得金牌。如今中国、印尼、韩国仍雄踞世界羽坛前列，丹麦、英国、瑞典等欧洲劲旅也不甘示弱，羽毛球正以前所未有的公众基础蓬勃于全世界。同任何其他球相比，羽毛球都是一种完全不同的球。它既不是圆形，又不在地面和台面上蹦跳，这种轻盈洁白的圆锥状精灵穿梭往返于球网两边，它对二维的球场平面依赖性不强，但却要求至少9米的高度确保它千变万化的飞翔。可以说羽毛球的驰骋天地是750立方米的三维空间，当然还有第四维时间。人们对羽毛球最大的惊讶还在于它是所有运动项目中速度最快的球。2005年5月在北京举行的苏迪曼杯比赛中，中国选手付海峰一记劈杀，球速高达每小时332公里，超过了欧洲电气火车和一级方程式赛车，相形之下最快的网球和棒球都成了慢动作。然而人们也往往不再深究，如果羽毛球以每秒钟90米的速度在总长不过13.4米的球场飞驰，那该是何等恐怖的景象？幸好这和实际情况并不相符，由于羽毛球圆锥形的身材和轻如鸿毛的体重，使它在空气的高阻力下很快就丢失了速度，因此难以打出网球中的ACE球。羽毛球也画不出完整的抛物线，它的运动轨迹永远不对称，曲线顶点要更靠近落点，降弧总比升弧陡峭，在常见的高远球中会变成半个抛物线，当球的水平速度为零后，便在重力作用下像一个旋转的叶轮，以匀速直线运动落下。看来当我们说羽毛球是速度最快的球时，还应该加上一句，羽毛球也是减速最快的球。羽毛球飞行的半抛物线轨迹哥伦比亚号航天飞机曾因重返大气时发生故障而坠毁，如何确保航天器安全着陆历来是最棘手的课题。2005年，美国私人企业成功研制了第一个商用旅游太空飞船，把游客送到100公里高的大气层外，设计者声称他的灵感来自羽毛球，这架飞船在重返大气时能打开折叠机翼，便是利用羽毛球平稳高效的减速机制确保安全降落。美国太空一号商用航天飞机正是由于羽毛球对空气动力的高度敏感，因此格外弱不禁风，要求赛场9米以下的气流不能超过每秒0.2米。更加娇气的是，同一个球，在低海拔寒冷地区由于空气密度高，粘滞阻力大，因此飞行速度慢。反之在高海拔炎热地区则飞行速度快。国际上把羽毛球分为5个等级，低海拔地区使用较重的高速球，高海拔地区使用较轻的低速球。譬如在中国上海比赛使用的羽毛球重5.2克，昆明使用的羽毛球重4.7克。这里所谓的高速低速指的是标准力量作用下球的飞行距离，越远就意味着越快。常遇到运动员在找不到合适型号的羽毛球时，往软木球托背后按一个图钉来增加重量，提高球速。更通用的办法是将球上16根羽毛中对称的4根或8根轻微内折或外折，以改变锥形的张角来调节速度。羽毛球翻转时运动轨迹和对称球体相比的另一大特点是，羽毛球的飞行始终是头部在前。由于球的重心和在空气中的压力中心相距很远，保证了长轴随时和运动轨迹切线相重合的稳定力矩。喇叭口朝前也会招致最大的形状阻力。实验表明在300公里的时速下，好的羽毛球被球拍击中后能在百分之二秒内翻身调头，这种灵敏和快捷简直不可思议。羽毛球拍框内部结构现代羽毛球的发展离不开球拍制造技术的革命。早期用木材制作的拍框拍柄质地疏松、缺乏弹性并且笨重易折。铝合金的使用让球拍整体性能大为改观，钛合金的问世进一步使球拍减轻了重量并增加了强度，此后是更轻而富有弹性的碳纤维垄断羽毛球拍制造业。如今的国际先进技术已将纳米级弗拉纶粒子渗透到碳纤维原子的间隙中，使球拍的弹性、抗冲击度、耐受力和轻量化指标都更加理想。内置的T型接头把拍框拍把紧密连成一体，强化了整个球拍的坚固性和可控性。用合成材料制作的拍弦也更加坚韧均衡和富有弹性。如果说球拍是手臂的延伸，那么我们的手臂已经伸得很远并摘取了诸多的科学果实。早期羽毛球奥运体育项目中唯一用动物毛发制作的器材就是羽毛球。半个世纪以来，羽毛球经历了十八变，出落得越来越灵秀俊俏了。这真是一件精美的艺术品，仅仅毛片的选择、清洗、烘干、处理就需要十几道工序。植毛、注胶、称重等全都靠程序控制。生产出来的羽毛球用发球机测试，落在不同距离的传送带上以区分速度等级，这和风选种子的办法颇为相似。如果了解鹅的翅膀上羽毛分布情况，从外向内数，第4至第10根叫做刀翎毛，这就是制作中高档羽毛球的原料，其中只有两根属于上选，还必须在鹅活着时拔下以确保动物蛋白结构不遭破坏。前几年禽流感猖獗时，许多养殖基地的家禽被销毁，一度造成羽毛球原料短缺而价格飙升。随着羽毛球运动的普及和全世界需求量剧增，过去鸟儿们能够胜任的事情如今已经越来越不堪重负了。羽毛球取材以尼龙、塑料代替羽毛的呼声再次高涨起来，许多大牌体育公司都努力研发高质量的尼龙球，并且已经十分接近天然羽毛球的标准。尽管尼龙做成的裙子高速飞行时会在空气阻力下有轻微合拢而少许影响减速效应，击球后的翻身掉头动作比天然羽毛球也略慢千分之几秒，球感尚不如天然球顺手，但只要假以时日，新材料和新工艺一定会有长足进步。尼龙球无疑具有宝贵的优势，更容易标准化，不仅成本低廉，而且坚韧耐用，一只能顶一桶。看看专业队每次训练要报废成百个AAA级球，留下狼藉的一地鹅毛，不免我见犹怜。有些球队因为负担不了高消费而被迫裁员，而买不起球也是制约一些非洲国家发展羽毛球运动的重要因素。毋庸置疑，不断提高价廉物美的尼龙球在羽毛球运动中的地位和份额，无论从资源节约和生态环境保护考虑都是社会的进步和时代的潮流。2005年12月3日在中国澳门举行的亚洲U-16羽毛球团体赛上首次使用尼龙球，显示了国际羽联改弦更张的锐意与决心。有人已经提前担心了，如果改用尼龙球，羽毛球是否该叫别的什么名字了？那倒是不必。正如同我们今天仍然把火车叫做火车一样。中国羽毛球队上一篇：话说网球标签：奥运 , 科学 , 科技之光 , 羽毛球; 个人分类: 奥运|1788 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（二十二）: songshuhui 2008-9-4 14:15; 科学松鼠会发表于2008-01-22 星期二 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。没有一种球像乒乓球那样，将花样百出的旋转作为常规技术形态和基本杀伤手段。乒乓球的前世今生（上）作为奥运会正式比赛项目，乒乓球直到1988年才姗姗来迟。但它的人气之旺、魅力之大却在奥运赛场一路攀升。2000年悉尼奥运会上，乒乓球是第四个将所有门票售罄的竞赛项目。鲜为人知的是，国际乒联早在1937年便通过了参加奥运会的决议，但谨慎而自尊的蒙塔古主席由于担心乒乓球水准不高会遭到拒绝而未能付诸实施，谁知这一拖延就是50年。中国人把乒乓球认作国球是历史的缘分。这不仅因为中国打世界，世界打中国的乒坛格局维持了几十年，还因为中国拥有最多的乒乓人口，积淀了特殊的乒乓文化。中华民族有史以来的第一个体育世界冠军，便是容国团1959年在第25届世界乒乓球锦标赛上夺取的。1971年小球转动大球的乒乓外交竟然改变了整个世界形势，这更是任何体育运动所不曾成就的历史奇勋。 1902年从天津寄回比利时布鲁塞尔的明信片清末民初百美图上的画幅瑞士洛桑乒乓球博物馆馆长洽克.霍伊先生2007年得到一张珍贵的明信片，这是一位欧洲人1902年1月22日从中国天津写回比利时首都布鲁塞尔的，寥寥十几行字述说了乒乓球已经在天津十分普及的情景。它确凿可靠地证明，乒乓球至少在1901年已经传入了中国。另一幅当年的《百美图》更生动描绘了中国人和乒乓球最初的结缘并有诗为证：席上春风为汝招，丝网中隔意非遥，自裁杨木轻于扇，戏摇流星旋旋飘。怀着景仰之情为国球寻根问祖，早期乒乓球运动开拓者的身影遥远而亲切，他们当年的天才创造让后人享用至今。早期的乒乓球运动乒乓球真正从草地网球的袖珍版变成独立的体育运动是以赛璐珞球问世为分水岭的。过去用香槟酒瓶塞刻成的软木球过于木讷而难以弹起，实心的橡胶球又过于生猛而无法招架。19世纪中期，美国富商悬红一万美元，寻找制造台球的新材料替代象牙。美国人海亚特在重赏之下发明了赛璐珞，这种硝基纤维成了现代塑料的鼻祖。英国人吉布1900年在美国的儿童玩具店发现赛璐珞球后如获至宝，这种质量轻、外壳薄、弹性好的乒乓球迅速风靡英国。在1931年人类首次往返大西洋的飞行中，驾驶员迈瑞尔将41000个乒乓球塞满飞机的机身和机翼，确保万一迫降海面时能够安全漂浮。这也是乒乓球为航空事业做出的独特贡献。最早的乒乓球设施最初的长柄乒乓球拍完全是小一号的网球拍。后来用羊皮取代拍弦，直到短柄的木板球拍出现并贴上软木和砂纸，乒乓球仍然停留在茶余饭后娱乐消遣的层次上。带颗粒的胶皮拍问世后，乒乓球运动才开始逐渐达到竞技体育级别。1927年伦敦首届世界乒乓球锦标赛上，匈牙利选手雅可比赢得了第一个世界冠军，此后欧洲风格的削球成为乒坛主流，杰出的匈牙利男女运动员巴纳和玛丽娅便是这个时代的旗帜性人物。 1952年孟买第19届世乒赛上，日本选手佐藤博治首次亮出了7毫米厚的海绵拍，凌厉无前的正手长抽突破欧洲削球的强固防守，获得第一个亚洲乒乓球男子单打冠军。海绵拍的发明为现代乒乓球运动注入了真正的技术含量，荻村、庄则栋、徐寅生等亚洲选手则把海绵拍的威力发扬到极致。海绵上覆盖的正胶、反胶、长胶、防弧胶、双面胶造就了众多的特色明星，一代国手张燮林、梁戈亮、葛新爱的传奇故事都和球拍息息相关。一记大板扣杀之下，乒乓球的飞行速度可达每秒47米，球拍和球的撞击时间仅为千分之一秒。在这短暂的瞬间，橡胶和海绵依次受到球的挤压而凹陷变形，同时吸收碰撞的动能，当形变达到极限值，海绵和橡胶层开始形变恢复，释放储存的能量使球脱板后高速弹出。这一过程中，球拍底板和球的变形是微乎其微的。切向挥拍速度引起海绵层形变不对称使力的作用线不通过球心导致球的旋转没有一种球像乒乓球那样，将花样百出的旋转作为常规技术形态和基本杀伤手段。急旋的乒乓球转速可达每秒150转。乒乓球旋转的根本原因是受力作用线没有通过球的重心，法向的碰撞力使球平动，切向的摩擦力使球转动，球拍传递给球的力是撞击力与摩擦力的合力。如果球拍和乒乓球之间没有摩擦力存在，旋转就不可能发生了，这也是光板球拍时代打不出像样旋转球的原因。当运动员击球时，切向挥拍速度的静摩擦力引起海绵层形变不对称，于是力的作用点发生偏移而不再指向球心，导致球沿着横轴、竖轴或纵轴旋转。击球时挥拍越快，球拍与球之间的摩擦系数越大，摩擦面越薄，乒乓球的旋转就越强烈。粘性极大的反贴胶，正胶颗粒顶端的细小花纹，都是为了增强球拍的拧球和咬球能力。二十世纪五十年代末，日本队用反贴胶拉出急速上旋的弧圈球曾一举横扫欧洲，并叫世界乒坛谈弧色变；1981年第36届世乒赛上，中国选手蔡振华在决胜局15平的紧要关头以不同旋转的发球连得5分战胜盖尔盖伊。旋转的威力和吃球的原因究竟何在呢？当上旋球落台后，绕横轴的旋转力沿水平方向朝后作用于台面，摩擦力带来的反作用力使球获得向前的加速度，所以上旋球弹起时冲力猛，反射角大于入射角。下旋球则相反，落台后的旋转力使球获得向后的加速度，因此下旋球弹起时冲力弱，反射角小于入射角。在球的前进速度不大而下旋极强时，还会出现落台后回跳的情景。而当球拍和上旋球接触时，摩擦力会使球沿着拍面上爬而增大反弹角度。下旋球则沿着拍面下钻而减小反弹角度。难怪抵挡上旋球时经常远走高飞，应付下旋球时容易自投罗网了。球拍上的不少发明创造都是为了更好控制旋转球，皮厚粒短、表面光滑的防弧圈胶皮有利于消除弧圈球的急速上旋；柔软纤细的长胶在击球瞬间胶粒倒伏而用胶杆竖直面刷球，回球旋转方向不变，让对手自食其果。但长胶的剑走偏锋具有太大反常性和难以预测性，不利于提高技术和增进观赏，国际乒联于1999年做出了胶粒高度与直径比不得大于1.1的规定。旋转的乒乓球不仅落台和触拍后会找到发力的支点，在空中也会改变飞行弧线。上旋球顶部的空气环流与迎面的空气阻力方向相反，底部空气环流则和空气阻力方向相同，造成球的上沿气流速度小，下沿气流速度大。根据伯努利原理，球的顶部和底部之间会产生方向朝下的压力差，使球的飞行弧线变低。反之，下旋球的飞行弧线会升高，而侧旋球则朝左右方向飘飞。旋转的乒乓球在空中偏拐和足球中的香蕉球同属马格纳斯力的作用。如果说感觉到的东西不能很好地理解它，理解了的东西才能很好的感觉它。那么我们熟悉了这些力学常识，就能更加得心应手和旋转球周旋。上一篇：羽球穿梭标签：乒乓球 , 奥运 , 科学 , 科技之光; 个人分类: 奥运|1749 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（二十三）: songshuhui 2008-9-4 14:14; 科学松鼠会发表于2008-01-23 星期三 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。和21分制之相比，11分制意味着更多的偶然性。乒乓球的前世今生（下） 1979年平壤第35届世乒赛上，匈牙利队夺回了阔别27年的男子团体冠军奖杯，他们出奇制胜的一大法宝便是使用了快速胶水。据说是克兰帕尔在一次比赛中偶然发现重新粘贴的海绵具有魔术般的效果，击球时速度和旋转都明显增强，这一秘密武器很快便被各国运动员所周知和掌握，并成为乒乓球厂商的一大生意。快速胶水的玄机在于，其中的有机溶剂快速挥发时能渗透到球拍的海绵层，使细小的微孔结构充气和鼓胀起来，海绵层因此增厚3%至10%，贮能模量提高30%，损耗模量明显降低，击球时更富有弹性和容易透板。至于发出的声音格外清脆响亮，其原理可以追溯到气穴现象和水锤效应。不过这种灌胶的威力只能持续一两个小时，以致运动员在比赛中不得不多次反复刷胶。乒乓赛场从此也像备有吸烟室一样专门开设了刷胶室，供参赛者冒着刺鼻的气味临阵磨枪。有机胶水挥发导致球拍海面层膨胀快速胶水对健康的危害和对环境的污染很快引起社会高度关注，国际乒联1995年初宣布禁止使用含有卤化物、苯环、己烷的有机粘合剂。同一年在中国天津举办的第43届世乒赛上，韩国弧圈王金泽洙因球拍被查出使用违禁胶水而取消了参赛资格，成为历史上第一个因球拍吃了兴奋剂而遭受处罚的运动员。随着近年来不断出现快速胶水危害运动员健康的个案，曾经歧见纷纭的乒乓球界逐渐统一了认识，所有挥发性有机胶水将从2008年10月彻底禁绝。 1936年在布拉格举行的第10届世乒赛中,奥地利队与罗马尼亚队争夺男子团体冠军之战进行了31个小时,因时间过长只能分三个晚上进行；波兰选手欧立克和罗马尼亚选手巴奈斯1分球打了1小时20分钟；罗马尼亚和法国选手苦斗6个半小时未见分晓,只好抽签决定胜负。为改变这种冗长乏味的乒乓马拉松，国际乒联采取了限制比赛时间的措施。1937年第11届世乒赛中，美国选手阿隆斯和奥地利选手普里斯在决赛中超过了1小时45分钟的时限而被判犯规，致使当年女单冠军空缺，直到2001年才给二人平反并追认她们并列冠军。不过，64年后的世界乒坛局面恰好颠倒了过来。在大板劈杀、高速爆冲、刁钻发球、弧圈快攻所主宰的竞技平台上，对阵双方往往交手二三回合就速战速决，观众来不及看个明白便胜负已定，使比赛同样变得索然无味。1999年国际乒联在哥本哈根专题研究如何使乒乓球更有魅力。过去曾经唯恐乒乓球太慢，如今迫切需要解决乒乓球太快的问题了。新世纪伊始，国际乒联大刀阔斧推出一系列改革措施。38毫米球换成40毫米球，开启了乒乓球的大球时代。这一改革的目的是把乒乓球令人生畏的飞行速度和旋转速度都降下来，增强比赛的对抗性和观赏性。有人曾提出加大球台、加高球网等办法，相比之下小球换大球更智慧和有效。40毫米大球的体积增加了16.6%，表面积增加了10.8%，使球在空气中的阻力增大，飞行速度下降了13%；大球的直径增加了2毫米，重量从2.5克变为2.72克，使得转动惯量增大，将旋转性减弱了21%。由于乒乓球的质量都集中在远离重心、厚度仅为0.4毫米的薄壳上，所以球的尺寸改变对旋转的影响特别敏感。此外，由于重量增幅小于体积增幅，使大球比以前变软而弹性降低。2001年在大阪举行的第46 届世乒赛上首次启用大球，运动员的接球率与回合数明显增多，银白色的飞行弧线无论在比赛现场和电视机里都更加清晰可见。 2003年巴黎举行的第47届世乒赛曾经让体育界一片哗然。奥地利选手施拉格在赛前曾对记者说，中国队能像吹蜡烛那样灭掉一个个对手，现在轮到我挨打了。然而中国队压根没有取得夺冠的资格，而是施拉格获得了男子单打冠军。一代乒坛明星瓦尔德内尔、佩尔森、盖亭、庄智渊等全都纷纷落马。这一戏剧性的结果和首次施行11分制不无关系。2001年，国际乒联大胆废除了沿袭百年的21分制，改为现行的11分制，这一重大决策显然出自老谋深算的数学头脑。如果随意投掷一枚硬币来统计正反面朝上的频率，就会发现投掷的次数越多，结果越接近真实的概率，这便是大数定律所揭示的法则。乒乓球比赛中，高水准选手获胜的概率显然更高，比赛分数越多越能兑现这一概率。和21分制之相比，11分制意味着更多的偶然性，包括擦边球、擦网球、裁判失误对比赛结果影响的比重。德国国家队教练舍普的统计表明，21分赛制中打到20平的概率为7.1%。施行11分制后，打到10平的概率为16%。尽管局数增加到7打4胜能起一定平衡作用，但44分的样本是不能和63分相比的。国际乒联的良苦用心在于，降低顶级选手稳操胜券的把握性，增强比赛的悬念性，从而调动更多选手冲击冠军的积极性。乒乓球运动的生命力毕竟来自各国的激烈竞争和全世界的热情参与。无遮挡发球示意图至于无遮挡发球规则，应该算是和大球、11分制成龙配套的改革措施，这也是1984年关于球拍两面必须分清红与黑的规则延续。只准明枪，不许暗箭，球与两个网柱所构成的虚拟三角形之内不得有任何阻挡物，这一规定同样为了扭转比赛等于比发球的扫兴局面和三板斧定胜败的乏味表演。生产一只小小的乒乓球需要30多个工序，重量、体积、圆度、硬度、弹性都要经过科学检测，达到严格标准。仅中国一年就生产乒乓球3亿多个。球拍的海绵层是不同规格性能的发泡橡胶，厚度不能超过0.4毫米，外面贴着攻守有别的正反胶皮。底板材料的85%仍是天然木材，制成5夹板或7夹板。玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维的精心编织与巧妙使用不断提高球拍的强度、弹性和底劲并扩大甜点。带滚轮的整体折叠乒乓球台无论弹性均匀度、表面摩擦力、色泽光洁性都形成了系列标准，台上安装的微型麦克风将击球和弹跳的声音清晰传送到赛场每个角落；拟人化的四轮驱动发球机则像一个陪练的乒坛高手，能按电脑设定的程序接受遥控器指令，每分钟发出近百个不同速度、旋转、落点和弧线的球进行辅助训练。现代科技为乒乓球设备增添的新景观每年都层出不穷。乡村孩子的乒乓球比赛在我们居住的大球上，4000多万人在打一种发出乒乓之声的小球，这是一个美妙的奇迹。当今已有170多个国家在国际乒联正式注册。设施简单经济，运动可急可缓，男女老幼咸宜，乒乓球能成为风靡世界的体育项目和中国第一大运动，自有它成功的原因。从乡村学校孩子们用砖头水泥砌成的乒乓台到无限风光的奥运会领奖台，金字塔有了坚实的基座，才能有辉煌的顶尖。中国乒乓球队获2007年世界杯男团冠军上一篇：乒乓球的前世今生（上）标签：乒乓球 , 奥运 , 科学 , 科技之光; 个人分类: 奥运|1781 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（二十四）: songshuhui 2008-9-4 14:14; 科学松鼠会发表于2008-01-24 星期四 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。一个引人入胜的实事是，左撇子运动员在对抗性竞技中具有不容置疑优势。格斗的艺术有人将击剑比作格斗的芭蕾，有人将击剑说成体力的象棋。手提三尺剑，身披金属衣，在一条剑道上狭路相逢和短兵相接。击剑运动实在是动与静、刚与柔、智与勇结合的样板。轻捷灵巧的花剑，强悍威猛的重剑，劈刺兼备的佩剑，是奥运会竞赛的三大剑种。传奇英雄佐罗的故事让无数人心醉神往。中国人将剑尊为百刃之君，项庄和公孙大娘显然都是舞剑器的高手。欧洲骑士则把剑作为崇高与神圣的化身，凭着精湛的剑法纵横天下。世上第一本关于剑术的著作在击剑运动摇篮西班牙出版。击剑还曾经是欧洲上流社会解决争端最简便而体面的途径，虚荣的贵族们往往为了可笑的原因拔剑而起，挺身而斗，1588至1608年20年间，仅巴黎一地就有8000绅士在决斗中毙命。后来欧洲各国相继制定法律遏制这种决斗成灾的局面，终于将击剑归化为一种体育运动。现代奥运会创始人顾拜旦就是击剑高手，1896年第一届奥运会上，花剑和佩剑便荣列正式比赛项目。剑是手臂的延伸。但伸得太长会过多增加转动惯量而影响灵活，因此90厘米的剑身应该是恰当的尺寸。锐不可当的直刺、转移刺、交叉刺、击打刺；咄咄逼人的压制刺、滑剑刺、绕剑刺、对抗刺；灵巧多变的甩剑刺、点刺、正手劈、反手劈。击剑技法经过几世纪的积淀可谓千锤百炼、炉火纯青。然而不管剑术套路如何千变万化，其宗旨只有一个，那就是击中对手而自己不被击中。进攻时让剑头在最短的时间沿最短距离作加速度运动，落在对方有效部位；防守时则通过剑身和护手盘的格档改变对方剑头运动路线，或身体躲过来剑运行方向，退出攻击半径之外。剑尖移动轨迹有直线、圆弧、螺旋，剑的长轴不断撞击、离合、交错，随时构成不同的杠杆关系。进攻的快速性和准确性永远是一对矛盾，因此需要高度敏锐的时间感、距离感、空间感和细腻的剑感。刀光剑影中，体力弱小的选手战胜身高力大的选手屡见不鲜。 1776年，法国击剑大师布瓦西埃发明了金属网面罩，成为击剑运动的里程碑。1982年击剑世界锦标赛中，苏联花剑冠军斯米尔洛夫不幸被击穿面罩当场死亡，引起人们对防护面罩安全性能的进一步关注。今天的击剑面罩用直径小于1毫米的高强度轻质钢丝制成，总重量不超过2公斤，网眼小于2.1毫米，能够抗击160公斤压力不变形，确保了头部和面部安全。但运动员从里往外看，如同隔着一层纱窗，毕竟会遮挡光线影响视觉。而在观众的眼里，剑客们则失去了人性化形象，两个脑袋恍如音箱外壳。对手之间互相看不到彼此的眼神更是莫大缺憾。有经验的士兵在练刺杀时都知道，对方的眼睛会提早泄露和预报即将采取的行动，而击剑面罩却锁住了双方心灵的窗户，屏蔽了许多重要信息。最近研制成功的透明塑料面具已经在正式比赛中使用，对手和观众终于都可以看清过去格斗时藏在铁幕后的眼神和表情了。 1924年巴黎奥运会上，匈牙利裁判科瓦克斯和意大利击剑队发生激烈争执。此后引起两场决斗并喋血荒郊。那年头的击剑裁判看来真是一种高危职业。剑尖细、速度快、变化多、幅度小，仅凭一双肉眼如何能明察秋毫？1934年布达佩斯举行的欧洲锦标赛上，重剑比赛首次使用电动计分。1955年罗马世界击剑锦标赛和1956年墨尔本奥运会上，花剑比赛的电子裁判系统正式登场。而佩剑的电动计分直到1985年法国世界杯赛才姗姗来迟。三个剑种裁判系统的电子化前后用了50年，这一改革的实现标志着击剑运动逐步走向成熟和完善。花剑、重剑、佩剑比赛的器械和规则互不相同，电子计分系统的设计也各有差异，但基本原理是一样的。运动员的剑内有三根电线，相当于火线、零线和地线，通过手线、身后电缆、拖线盘，和裁判器之间连接成一个电流回路。花剑的电动剑头是一个圆柱形的弹簧按钮，启动压力为500克，当剑头击中对方有效部位即金属背心后按钮被压缩，从而使原来流通的电路断开,导致指示灯亮起；重剑击中全身任何部位均有效，剑头按钮的压力需达到750克，压缩后使原来断开的电路接通。佩剑的有效攻击区是包括手臂在内的整个上体，因此金属上衣一直覆盖到手臂，无论被剑头刺中和剑身砍中，都会使原来流通的电路断开。而任何一种剑触及剑道时，由于金属地面和剑内地线相接，因此裁判器不会发生反应。1976年蒙特利尔奥运会，前苏联选手奥尼申科在五项全能的重剑比赛中严重作弊，私下将自己的剑进行线路改装，只要用小指按动剑柄上的机关便能随心所欲遥控计分台。这一欺诈手段成为奥运史上最大的丑闻和笑谈。今天的击剑自动计分系统经过了多次改进。不同剑种的电路设计都更加简洁而巧妙。尽管拖线盘能够让电缆随着运动员的进退而伸缩，但拖着一条长长的尾巴毕竟会碍手碍脚，至少来自身后的拖累会让运动员在竞赛中分心。2004年雅典奥运会上，这条尾巴终于被割掉了。每个运动员只用在身后佩戴一个香烟盒大小的发射器，就能将无线信号传输到裁判台。击剑运动从此获得更彻底的解放。电视录像回放系统的应用能够进一步减少裁判看走眼的失误。不过也有人抱怨电动记分器和击中优先权会带来了剑术的退化，使运动员只关心得分点数而不是动作质量，击中别人自己不被击中的理念也变成先击中别人而不怕自己后被击中了。击剑比赛计分台我们这里要谈到另一项个对个、面对面的格斗。如果说击剑用武器手谈，拳击则完全靠拳头说话。这一古老的运动在欧洲和中、北美洲有悠久传统，甚至达到倾城倾国的狂热程度。但第一、二届奥运会都否决了拳击的参赛要求。第三届圣路易奥运会上拳击虽然获得了比赛资格，但完全是清一色的美国人在举行国内赛。1912年斯德哥尔摩奥运会，瑞典又以野蛮残酷为由取消了拳击。随着职业拳击和业余拳击彻底分道扬镳，拳击运动在奥运会日益站稳了脚跟。曾经三次夺得奥运会重量级金牌的古巴选手斯蒂文森拒绝职业拳击百万美元出场费的诱惑，坚持留在奥运会为国争光。不过职业拳坛的许多耀眼明星都曾经是奥运会冠军，除了金钱的魅力让他们赤膊上阵，也有人认为赢得职业赛的金腰带才是拳击手终极价值的实现。拳击运动员讲究另一种三围：拳围、腕围、臂围。据记载，号称魔王的利斯顿拳围达37厘米，真可谓醋钵大的拳头了。但拳头再大也毕竟质量有限，实际上，运动员出拳时蹬地、转腰、送肩、前倾，打击的有效质量包括手臂和整个体重，拳头只是冰山的末端。拳头的动量等于质量和速度的乘积，而速度取决于肌肉的爆发力和自下而上、大关节带动小关节的鞭打效应。无论直拳、刺拳、摆拳、勾拳，都是一个复杂的运动链，应在达到速度最大值时击中对手，并在最短时间内将动量传递出去。这也是打在坚硬的头部比打在具有缓冲作用的身上更有杀伤力的原因。优秀选手挥拳速度可达每秒40米，拳峰接触对手身体时间不超过100毫秒。而变幻多端的滑步、侧步、环绕步、冲刺步，则为进攻防守提供最佳的角度和距离。 2004年雅典奥运会拳击赛 1988年汉城奥运会拳击比赛中，保加利亚选手赫利斯多夫战胜韩国选手边丁一，结果引发了国际拳击史上绝无仅有的教练、官员群殴裁判事件。虽然肇事者受到了处分，但拳击裁判中的诸多弊端也确实到了非改不可的程度。从这场风波的第二年起，正式拳击比赛中开始使用电子计分系统。5名评判员改变了各自台下计分，赛后交卷汇总的暗箱操作，每人手持一个按钮键盘，和场上计分屏连接。当一位选手得分时，必须有至少3个评判员在一秒钟内同时按下键钮，成绩才会有效，并在屏幕上当众显示。电子计分的发明不仅大大增加了评判的客观性、公正性和可靠性，同时也使裁判的专业水准和道德水准置于大庭广众的监督之下。今天的电子计分系统经过不断改进，已经具有显示运动员、教练员信息和比赛场次、进展等诸多功能。拳击自动计分系统一个引人入胜的实事是，左撇子运动员在对抗性竞技中具有不容置疑优势。1979至1993年间打进击剑世锦赛四分之一决赛的半数男选手和三分之一女选手是左撇子。意大利元勋曼贾罗蒂，法国名将克罗维奇，中华巾帼栾菊杰都是著名的剑坛左派。拳击界的左撇子同样威名远扬，左拳王穆勒1994年荣登世界重量级拳王宝座。至于乒乓球、网球金榜上的左撇子更是灿若群星。在整个人口中只占7%到10%的左撇子，为何在体育精英中的比例要大得多？除了右手优势的运动员不习惯对阵左撇子外，有研究认为更重要的原因来自人类的大脑功能。诺贝尔医学奖获得者斯佩瑞1961年曾做过切断连接大脑左右半球胼胝体的脑裂试验，发现人类大脑两个半球既紧密合作，又独立活动并互有分工。大脑左半球负责语言、阅读、书写、运算等功能，右半球则管辖视觉、形象、空间、方位等职责。而人的左右半球大脑又各自指挥对侧肢体运动。因此，右手优势的运动员从看到动，神经信号走过了从右脑到左脑再到右手的路线，而左撇子的神经传递却在右脑内部消化，走的是右脑直接到左手的捷径，反应速度要快10多个毫秒！这在体育巨人们巅峰对决中的价值应该不言而喻。人类好斗的天性也许来自进化历史的源头和基因结构的深处。但有了科学技术的舞台和竞赛规则的节律，便能将原始野蛮的打斗变成大雅之堂的体育运动。上一篇：乒乓球的前世今生（下）标签：击剑 , 奥运 , 拳击 , 科学 , 科技之光; 个人分类: 奥运|1223 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（二十五）: songshuhui 2008-9-4 14:13; 科学松鼠会发表于2008-01-25 星期五 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。体育的终极意义在于强健体魄和增进健康，运动中人的安全越来越成为现代文明重要的价值取向。软硬兼施的护身术体育运动的魅力之一便是勇猛拼搏和激烈对抗。竞技场上到处都有速度的飞翔，力量的击打，身体的冲撞。如何确保运动员血肉之躯的安全，从来是体育比赛头等重要的课题。瞧瞧冰球选手们顶盔贯甲、全副武装的那身打扮，简直不亚于太空中的宇航员。当170克重的硬橡胶冰球以每小时160多公里的速度在场上往复弹射，平均体重80多公斤的对手在高速滑行中互相合理冲撞时，即使有这些头盔、护胸、护肘、护腿、护裆的全方位保护，赛场上的人身事故仍时有发生。今日的体育运动如果离开了护具，许多项目将根本无法开展。全副武装的冰球运动员棒球运动员头盔运动员的第一个关照对象自然是脑袋。人的颅骨和脊液虽然对大脑有良好的保护作用，但运动中猛烈的冲击力很容易造成颅骨骨折、脑震荡、脑挫伤、硬膜下出血等后果。2005年美国职业棒球联赛中，波士顿红袜队著名投手马特.克莱门特头部中球当场倒地，被抬出场外急救；2007年接替布莱尔担任英国首相的戈登.布朗曾在高中时代一次橄榄球比赛中头部严重受伤，导致视网膜脱落而几乎完全失明；捷克足球国家队门神彼得.切赫被对方前锋踢中太阳穴引起颅骨断裂险些丧命。粗略统计，美国每年约160万人次的头部创伤和体育运动有关。拳击比赛中密集而沉重的打击主要是对准脑袋，2008年伊始，韩国拳坛不倒翁崔尧三成功卫冕之后魂断拳台的消息令人唏嘘。拳击运动员头部长期承受打击还会带来慢性脑损伤和颅压及脑血流改变。有人认为，拳王阿里的诸多神经症状不能不归咎于头部多年来被零敲碎打的积累效应。我们所熟悉的台球和钢珠碰球这类弹性碰撞中，无论正碰或者斜碰，小球的动能和速度都会发生传递和交换，但总动量保持不变。对于运动员的头部来说，器械和肢体的碰撞大都属于非弹性的斜碰，不仅会带来颅骨与脑的线性运动和绕颈部的切向运动，还会带来头部的结构性改变。由于动量等于质量和速度的乘积，因此撞击物的质量越大、速度越大、制动时间越短，冲击力就越大。在球场上和自行车、滑冰等高速运动中，保护头部的硬措施是佩戴头盔，让玻璃钢和碳纤维外壳通过形变吸收部分动能，同时，和头部曲率半径相近的海绵衬垫层与悬挂结构将碰撞中尖锐的点接触变成平缓的面接触，从而减小压强并延长碰撞作用时间，起到摊薄冲击力的缓冲作用。早期职业拳击赛不戴手套，1853年美国拳坛双雄沙利文和莫利西的疯狂对决被法庭判为野蛮斗殴而锒铛入狱。奥运拳击赛和职业拳击赛最大的不同在于确保了竞赛的安全性，但奥运拳击头盔须用软材料制成，以便同时保护对手的拳头。奥运拳击的另一软措施是使用大而厚的拳击手套来软化运动员的铁拳。和职业拳击小而薄的226克手套相比，奥运拳击284克的手套打中对方时接触面积更大，拳套柔软层被压缩的距离更长，从而延缓了拳头制动的时间，使得运动员瞬间承受的冲击力更小。拳击的头盔和手套看到拳击选手和橄榄球运动员在休息时吐出嘴里的牙套，人们常常不明白这个小玩意为何物。惊人的数字显示，美国每年在运动场上被打掉的牙齿约500万颗。牙套的英文名字可直译为护嘴，在各种冲击性运动中使用牙套，可以大大减少满地找牙的受伤者。人的牙齿本来十分坚固并具有惊人的力量，杂技演员能靠牙齿的咬合将身体悬在空中。但这是靠着咬肌的整体力量，单个牙齿往往是不堪一击的。弹性塑胶制成的牙套能使彼此孤立的牙齿联合起来，特别咬紧牙关后，牙齿的砖块筑成了牙齿的长城。当众志成城的上下牙列共同承担冲击时，就不会被各个击破了。牙套还能改变外力作用时嘴唇和牙齿的硬接触，起到良好的缓冲作用，并减轻对颈椎的震荡。如今市场上批量生产的成品牙套不能做到适合每个人的口型，有一种经热水烫过后变得可塑，在口中咬合并冷却后能固定形状的牙套效果更好，而理想的牙套应该如安装义齿一样，请专业的牙医取模定做,才能确保适当的厚度和紧密的接触。绿茵场上激烈的拼抢最容易引起运动员腿部和脚部骨折，许多世界一流球队都曾在重大比赛前伤兵满营而实力大减。人体骨组织承受的力可分为压缩、拉伸、弯曲、剪切、扭转等。在适当负荷作用下，骨头能产生弹性形变，应力消除后恢复原状。如果骨组织承受的负荷超过了弹性范围而达到屈服点，带来的形变在外力消除后不能复原，这种因结构被破坏而导致的塑性形变就是骨折了。骨骼的抗压强度最好，抗拉次之，却容易在弯曲张力和剪切力作用下受到损害。足球运动中的踢、蹬、铲等动作往往将极大的切向力作用在球员的腿上。因此护腿板已经成为足球比赛最重要的分段保护措施。护腿板用轻质而具有刚性的复合材料制成，如同给运动员的小腿平添了一层甲壳。受到冲击时，护腿板不仅能扩大胫骨受力面积而降低压强，还能总体改变腿的受力角度，减小在骨骼内产生的弯曲力矩和剪切效应，防止骨折发生。护齿护裆护胸护腿人类从四肢行走到直立行走后带来的一大弊端，便是身体的软肋和软腹部暴露无遗而更容易受到攻击。在许多对抗性激烈的竞赛中，女运动员使用特制的护胸，男选手穿上合身的护裆，其作用不仅在于将冲击力量分散减弱，还能使受力点向四周转移，让邻近更加抗打耐压的部位代替娇嫩脆弱的部位来承受攻击。举重腰带的保护功能则另有名堂。一项试验表明，当沉重的杠铃高举过头时，运动员的骨组织和椎间盘软组织受到压缩，身体可被压矮3.59毫米，如果系上宽阔的腰带，不仅能保护肌肉和软组织免受伤害，还能凭借腹腔内容物的支撑作用帮助脊椎骨承担部分负荷，使身体被压矮的程度减少到2.87毫米。当美国选手莱恩把棒球投到每小时164.1公里的纪录时，我们便不难理解棒球捕手所带的手套为何如此肥硕了。这种手套的海绵内衬比其他手套厚得多，其功能在于缓冲来球巨大的冲击力。我们由此自然而然想到了运动场上的海绵包和海绵坑。带着特制手套的棒球运动员随着人类的跳高成绩节节攀升，便应了一句话古话跳得越高摔得越重。今日的撑杆跳世界纪录为6.14米，自由落体从这一高度的着地时，速度可达每秒10米，如果没有缓冲手段，运动员等于经历一次跳楼。最初的跳高从草地上起跳并在草地上着陆，剪式、滚式跳高出现后开始使用和跳远相同的沙坑，后来的跳高沙坑不再是坑了，沙面也不再和地面平齐，而成了沙层增厚并高出地面20至30公分的沙台，有时还在沙中添加锯末以增加酥松程度。早期的海绵坑曾让运动员在一大堆杂碎海绵中陷于灭顶，直到现代海绵包的出现，才带来了跳高运动的真正安全并让背越式跳高成为可能。使物体动量改变的原因是冲量，它是力和作用时间的乘积。跳楼状态下的身体落在硬地上，全部动量在大约百分之一秒间变化为零，因此承受极大的冲击力。厚厚的沙层延长了身体动量改变的时间，所以减少了冲击力。从运动员落到海绵包表面受到弹性阻力到海绵包被压缩到最大距离，约经历1秒钟，是硬地制动时间的近百倍，因此承受的冲击力也减小近百倍。加上身体陷在海绵包中的大面积接触带来压强减小，海绵包高于地面约80公分使重力的作用时间和作用距离减少，都确保了跳高运动员安全舒适的软着陆。这和汽车发生碰撞事故时释放气囊的作用又殊途同归了。跳高选手落在海面垫上射箭运动员在持弓的手臂上佩戴一块护臂，这是为了防止高速运动的弓弦回弹时擦伤皮肤；皮革制成的护掌为体操运动员手上长了最结实的老茧，能防止在单杠大回环等动作中磨出水泡和揭去手皮，并能够有效提高握力；护膝、护腕、护指、护踝、护肩、护肘，它们有的能防止直接伤害，有的能让肢体更有效工作，众多的护具可以列出一副长长的清单。体育的终极意义在于强健体魄和增进健康，运动中人的安全越来越成为现代文明重要的价值取向。科技对体育的作用不仅在于提高成绩，同时也用软硬兼备的手段佑护着运动员出入平安。反过来，赛场上的安全感是提高成绩的根本保证。上一篇：格斗的艺术标签：奥运 , 科学 , 科技之光 , 运动保护; 个人分类: 奥运|1004 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（二十六）: songshuhui 2008-9-4 14:12; 科学松鼠会发表于2008-01-26 星期六 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。今天的体坛明星有福了，许多厂商争相为他们量脚定做独一无二的运动鞋。运动鞋的功勋回顾足球历史上最经典和重要的战役，不能不提到1954年瑞士世界杯赛匈牙利队和前联邦德国队的那场激烈拼搏。明显弱势的德国队在0比2落后的危局中绝地反击，最后以3比2取得了几乎不可能的胜利，成为二战后德国回归国际体育大家庭并重振民族精神的重要契机。这次反败为胜的一个关键因素，便是他们脚下穿的新款足球鞋。比赛在大雨滂沱后的范可多夫体育场进行，满地泥泞不堪，当年所向无敌的匈牙利队却被又湿又重的球鞋所折磨，守门员在最后的关键时刻滑倒。而德国队脚下的鞋则轻巧灵活并及时更换了加长的鞋钉，能在滑溜溜的赛场上增大抓地力。拍摄庆功合影的时候，德国队总教练赫尔伯格把看台上的阿迪恭恭敬敬请到身边。这是历史上唯一一张制鞋商和冠军队共享胜利喜悦的照片。 1954年瑞士世界杯足球赛冠军联邦德国队合影，左第三人为阿迪运动场上关于鞋的故事有一千零一个。早期的帆布面硫化胶底鞋，笨重的几乎只适合直线前进的金属头足球鞋，柏林奥运会上欧文斯的跑鞋，飞人乔丹气垫鞋，斯坦.史密斯网球鞋，刘易斯的陶瓷钉鞋，琼斯的水晶鞋，约翰逊的金缕鞋，刘翔的红色魔鞋，多少传奇为人们耳熟能详并津津乐道。运动鞋的历史，处处留下一个时代科学的脚印。 26块骨头，33个关节，20块肌肉，100多条韧带，数以千计的神经末梢和血管诚如达.芬奇所言，人的脚是艺术和工程学的杰作。打从人类祖先在非洲草原直立行走后，我们便把体重完全交给了双脚，让它承受着比四肢动物成倍的负荷。尽管每年都有成吨的研究报告问世，我们却至今仍没有完全厘清在不同运动状况下腿、脚、鞋、地面之间微妙而复杂的相互关系。运动鞋虽然琳琅满目，但基本原理是大致相通的。它的首要功能是吸收来自地面的震荡。当人的奔跑速度达到每秒6米时，脚掌承受的负荷约为体重的4倍，跳高跳远时增大为7倍，三级跳远中双脚两次直接和硬地碰撞，冲击力峰值可达体重的20多倍，强烈的振荡会传到脚踝、膝部、髋部以致脊柱和大脑。感谢我们脚跟的脂肪垫和天然的弹簧系统脚弓有效抵御着这种伤害。现代运动鞋将一种具有很高受压顺从性能的材料放置在鞋后跟, 让它通过自身最大的变形量吸收冲击动能。还有些运动鞋将中底做成华夫饼干状，有些在鞋底内放置橡胶立柱和气垫，起到汽车底盘下减震弹簧的作用。当篮球运动员纵身而起，田径运动员脚下生风时，一双称心的好鞋便如同两只小小的马达。运动鞋的第二大功能是回输能量。脚掌部位的聚氨酯等微孔发泡材料具有极强的弹性，鞋底在受压变形还原时，能将吸收和储存的能量释放出来返还给脚掌。在周而复始的蹬伸过程中，就如同踏着一个微型的跳板了。这里的技术精华，是在鞋的弹性和稳定性之间寻找平衡点，既要获得理想的反冲力，又不能失去精确的空间感和脚踏实地的坚硬支撑。奔跑时制动和反弹的力网球、羽毛球运动员在场上骤起急停，乒乓球选手则频繁侧向跃动，掷铁饼者少不了身体旋转，剑客们更多前后腾挪运动鞋的第三大功能是防滑。脚下的摩擦力是由鞋底与地面的法向力、摩擦系数和接触面积决定的。从微观角度看，由于地面的凸凹不平，往往和鞋底间只是有限的点接触。高摩擦系数并且具有高延伸度的鞋底能在凸凹的地面产生弹性形变，增加接触面，这就是所谓的抓地性。过去的金属鞋钉在插入、拔出地面间会消耗能量，现代的鞋钉用尼龙、聚氨酯等复合材料制成，圆锥形、长方形、刀刃形等不一而足，鞋钉的数量和位置也能因人、因地而调整和改变。更有大量运动鞋以不同排列的突脊代替了鞋钉。至于鞋底的花纹更是千变万化，带来不同方向上摩擦力的差异，以满足不同运动种类的需求。值得提醒的是，人在运动中的刹车过程是由动摩擦转为静摩擦的，脚落地后应该有少许滑动行程，如果鞋的摩擦力大到一着地就纹丝不动，便容易崴脚和扭伤了。运动鞋的结构至于运动鞋扭力系统对脚形和动作的矫正，鞋帮对脚踝的支护，通过气孔的呼吸作用使鞋内透气和吸湿，都是可圈可点的设计。不同的运动项目几乎都有自己的专用鞋。要想分门别类略加描述也是一本专著的容量。不过足球鞋是特别值得单独一提的。踢球全凭一双脚，脚又全指望一双鞋。每场比赛下来，足球运动员跑动万米左右，拼抢时需达到百米冲刺的速度。更重要的是，球鞋就是足球运动员的球拍和球棒。接球、带球、传球、射门的力量都要通过球鞋发出，推、拨、挑、拖、扣等细腻的脚法都要通过球鞋完成。精确的脚感和鞋脚合一的境界是至关重要的。受到乒乓球拍上小胶粒的启示，在足球鞋的边缘加上橡胶的仿脚趾，齐达内和贝克汉姆脚上的猎鹰球鞋能够踢出每秒旋转8圈的香蕉球。 2000年悉尼奥运会上约翰逊的金缕鞋一个世纪前的百米短跑成绩平均每年提高0.015秒，如今已经减缓到每年提高0.006秒了。人们越来越注重从跑鞋上发掘点滴的潜力。根据测试，跑鞋重量每增加100克，运动员的体能消耗将增加百分之一，1991年东京田径世锦赛上，美国短跑名将刘易斯打破百米世界纪录时的跑鞋只有115克重；2000年悉尼奥运会上，田坛阿甘迈克尔.约翰逊的金缕鞋重量仅116克，玛丽安.琼斯的水晶鞋则只有99克；加拿大黑豹贝利的跑鞋被形容为带钉的袜子。人们不免生出疑问，为什么有些运动员竞赛中脖子上可以挂着沉甸甸的金项链，却对鞋子的重量如此锱铢必较呢？看看百米跑道上那些快速翻飞的双脚就会发现，每个运动员的后跟都几乎触及到了臀部，折叠起小腿能缩短以髋关节为轴的转动半径，从而减小转动惯量增加转动的角速度。而双脚处在小腿绕膝关节和髋关节旋转半径的最远端，因此鞋子重量些微的减轻，都会带来腿部转动惯量明显的减小。这对于以每秒20米速度交替划着弧线的双脚无疑是莫大的减负。刘翔的跑鞋波兰每年都会举办一次库索辛斯基国际田径赛，纪念二战中被德国纳粹杀害于战俘集中营的优秀波兰运动员雅努什.库索辛斯基。1932年洛杉矶奥运会上库索辛斯基夺得10000米金牌后，他双脚血肉模糊以致脱不下鞋子的一幕永远给人们留下最沉重的叹息。鞋子舒不舒服只有脚趾头知道，难怪体育界一句名言说穿错了鞋就是灾难。1968年墨西哥奥运会前，背越式跳高的的发明者福斯贝里收到阿迪达斯公司从欧洲寄来的运动鞋，但他只试了一下就原封退回了。殷勤的商家坚持不懈对鞋反复修改，直到第四次寄给福斯贝里才被愉快接受。今天的体坛明星有福了，许多厂商争相为他们量脚定做独一无二的运动鞋。事先由专家组花费数年时间动态跟踪和研究运动员的特征，取好精确的脚模。将三维动作捕捉、压力传感测试、红外线成像和激光扫描的各种数据输入电脑进行设计。再和运动员共同商讨和反复试验以求尽善尽美。这种体育明星和大牌厂家的共生关系毕竟促进了运动成绩的提高和制鞋产业的发展。奥运百年来，体育已经成为寻常百姓生活的一部分，运动鞋也不再是体坛精英的专宠。今天世界上的运动鞋比天上的星星还多，几乎每条小路都有运动鞋走过，它改变了这个行星上人类跫然的足音上一篇：软硬兼施的护身术标签：奥运 , 科技之光 , 运动鞋; 个人分类: 奥运|939 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（二十七）: songshuhui 2008-9-4 14:12; 科学松鼠会发表于2008-01-27 星期日 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。因此哪怕起跑确实在枪响以后，但只要时间少于0.1秒便可认定为抢跑。运动场上的时间简史 1996年亚特兰大奥运会上，英国飞人克里斯蒂和加拿大黑豹贝利的男子百米冠军之争让场内外千万人屏住了呼吸。然而戏剧性的场面出现了，克里斯蒂连续两次抢跑，比规定的起跑时间提前了约百分之一秒。裁判们经过冗长的合议，宣布取消克里斯蒂的比赛资格。于是奥运历史上留下了克里斯蒂在极度失态中愤然退场的一幕。还是这位背运的克里斯蒂，在1995年国际田联组织的黄金四站大赛中已经连续取得苏黎士、布鲁塞尔和奥斯陆三站的冠军，却最后在柏林功亏一篑，仅以千分之一秒的微小差距败给贝利，失掉了即将到手的4公斤黄金的大奖。时间就是金钱，时间就是生命，这句古老的箴言在现代运动场上体现得淋漓尽致和无以复加。我们的一切运动都在三维空间中进行，但还必须加进第四维时间。计时是竞赛运动的基石，是一切速度型运动成绩的量化形态，让快和慢的比较成为可能。奥运百年间，运动计时手段的变化不啻霄壤，精准、可靠、快捷和直观是人们始终不懈的追求目标。 1896年第一届奥运会上，秒表刚刚问世不久。当计时员从黑色衬布上看到发令枪烟升起而按动拇指时，受生理反应速度所限，计时误差可达0.2至0.5秒。这对于百米赛来说相当于2到5米的距离。 1912年斯德哥尔摩奥运会上，秒表首次以电动代替手动，并设置了实验性的终点照相仪。到了1932年洛杉矶奥运会，瑞士欧米伽公司提供30块电动秒表,以十分之一秒的精度记录了17项世界纪录。当时已经使用了终点摄影胶片，不过要花费几天时间才能冲洗出来，只能成为马表的马后炮了。随着运动竞技水平的提高，顶级选手的成绩日益接近。跑道上每每出现并驾齐驱，比肩到达，集体冲线的情景。人们也对计时系统提出越来越高的要求。光电管取代肉眼，起跑发令枪和计时器联动，石英技术问世，终点快速打印机使用，都为计时系统的升级换代注入活力。1968年墨西哥奥运会上正式被官方确认的缝隙扫描终点摄影技术更成为一个重要的里程碑，从此之后，在百米终点线楼梯上排排坐和叠罗汉的24名计时员永远退役了。如果把普通照相机的曝光比作一次开门，那么终点摄像仪的曝光则是通过一条极为狭窄的门缝，在高速的CCD摄像机中，这个门缝每秒钟连续开启2000次，相当于把一秒钟时间切成2000片，再将摄下来的2000条竖直栅格依次沿横向排列。于是这些白驹过隙后在时间轴上留下的线便织成了计算机屏幕上精确的冲线图。当然，门缝里看人难免把人看扁。如果运动员影像移动的速度快于照相机栅格移动的速度，人的影像就会变窄，反之影像就会变宽。难怪那些珍贵的历史性记录一幅幅看上去都有些像哈哈镜了。尽管有了这样的火眼金睛，也仍然不能完全避免歧见和纷争。有时两个运动员到达终点的先后几乎间不容发，难分难解，对终点摄影识别和判读的学问甚至不亚于医生面对复杂的CT与核磁共振照片。1984年洛杉矶奥运会上，法国选手查多尼尔已经站到女子百米跨栏第三名的领奖台上向公众招手致意了，却又在刹那间被迫流着眼泪走下领奖台，裁判最后认定她的季军位置应该由美国选手吉姆.特纳取代。尽管专业计时员坚持认定查多尼尔领先并再三解释终点摄影仪的工作原理却无济于事。直到几个月后，这段公案在萨马兰奇的直接干预下才得以解决，法国姑娘领到了补发了铜牌。为确保万无一失，两台终点摄影仪常常安放在跑道两侧相向拍照。此外还辅助设立另一套红外线激光计时系统，当运动员跨过终点线阻挡了红外信号，计时器便中断运行，并将成绩直接显示在体育场的屏幕上。终点计时的精确只解决了一头的问题，另一头起跑线上计时的重要丝毫不亚于冲线。1960年第17届奥运会上，百米金牌得主哈里以10秒的成绩打破世界纪录，但却被裁判认定为抢跑。哈里向法院提出控告后被要求重跑，多亏他经受了考验并保住了金牌。这类纠纷在田径比赛中不胜枚举。今天的起跑线上，抢跑犯规监测系统同样达到了千分之一秒的精确度。从我们被一根针刺中到发出疼痛的喊叫，中间会有一个时间差。因为神经传递速度有限。据医学测定，人类对刺激的反应约为0.1秒。运动员从耳朵听到枪声到大脑对肌肉发出指令同样有诸多生理环节。因此哪怕起跑确实在枪响以后，但只要时间少于0.1秒便可认定为抢跑。谁也别想再靠着蒙和猜投机取巧了。和起跑器联动的发令枪这是一个安装在起跑器上和发令枪联动的传感装置，当压力达到男子29公斤，女子27公斤时便会被触发，并显示出运动员起跑反应的时间。抢跑违例者将会被自动召回。1988年汉城奥运会上，德国十项全能选手海格森虽然贵为前世界纪录保持者，但因为连续三次抢跑千分之一秒被取消资格。中国运动员刘翔在2004雅典奥运会上以12秒91的成绩平110米跨栏世界纪录，还要归功于他0.13秒的完美起跑时间。不过话说回来，如果那次刘翔的反应再快百分之一秒，新的世界纪录就会诞生了。游泳池里的冠军和第八名之差也常常取决于零点几秒。1968年墨西哥奥运会上，终点电子触摸屏首次登场亮相。这是一块90厘米高，2.4米宽的平板，三分之二浸没在水中。能够灵敏感受运动员手指轻微的触摸却对波浪的拍击不作反应，计时精度达到千分之一秒。鱼雷索普是5块奥运金牌获得者，他最难忘的记忆是15岁那年在英联邦运动会上，触摸屏显示以百分之一秒之差，使他失去了第一次打破200米自由泳世界纪录的机会。1988年，加勒比海小国苏里南全国放假一天，庆祝他的运动员内斯蒂在汉城奥运会上获得男子100米蝶泳金牌，这位浪里黑条仅以0.01秒的优势战胜了美国名将比昂迪。游泳池的出发台和田径赛的起跑器一样装有压力传感器，防止运动员提前入水犯规。1991年澳大利亚世界游泳锦标赛上，计时系统无情显示美国女子接力运动员抢先百分之一秒跳入水中，使得正在拥抱欢呼夺得冠军的姑娘们转而失声痛哭。这样的悲喜剧在人工计时的年代是不可想象的。体育运动中的计时是无处不在的。在自行车、赛艇、马术、冰雪运动等项目中，计时精度都达到了千分之一秒。篮球场上的3秒违例、24秒投球、终场倒计时往往决定比赛的胜负。帆船竞赛中的计时则已经装备了GPS全球卫星定位系统。从一块秒表长成一个根须四布、叶茂花繁的计时系统，奥运会用了100多年，我们定格和保藏了奥运会历史上许多最伟大的时刻，并继续在运动场上牢牢掌握着时间。上一篇：运动鞋的功勋标签：奥运 , 科学 , 科技之光 , 秒表 , 计时器; 个人分类: 奥运|856 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（二十八）: songshuhui 2008-9-4 14:11; 科学松鼠会发表于2008-01-28 星期一 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。如何更快捷、准确、可靠地丈量距离，是体育运动的持久课题。明察秋毫谈测距 1968年墨西哥奥运会的头号英雄，要数美国运动员鲍勃.比蒙了。他不朽的一跳创造了神话般的奇迹，以8.90米的成绩超越世界纪录55厘米。由于几乎跳到沙坑尽头，落在当时光学测距设备的计量范围之外，以至于裁判们不得不临时找来钢卷尺反复测量与核实。这个惊人的揭晓在记分牌上显示出来时，由于比蒙对公制量度缺乏概念竟一时回不过神来，当人们告诉他8.90米等于29.25英尺，比蒙才顿时激动得长跪不起，热烈拥抱和亲吻大地。这一纪录直到23年后才被鲍威尔在东京以8.95米的成绩所打破。墨西哥奥运会上为比蒙跳远测距的光学仪器竟然会无能为力，世界大牌明星比蒙竟会只知道英尺不知道公尺，这无疑都涉及到运动场上的测距问题。测距和计时一样，是体育竞赛的生命线。一切运动都离不开在三维空间中的精确定位，许多项目的成绩都是以路程和位移的量化为最终结果的。而差之毫厘，失之千里的古谚应该是对运动测距的最好描绘了。 1948年伦敦奥运会用手电筒和卷尺测距早期运动场上测量工具是皮尺，由于具有伸缩性并容易在风中飘动和扭结，测量的精确性大打折扣。自从发明了钢卷尺，测量更加可靠了。但操作不便，气候影响，距离限制等因素仍长期困扰着运动场上的裁判。人们曾想出各种办法改进测距手段。1948年伦敦奥运会上出现了机械测距，把标尺固定在跳远沙坑旁，上面垂直安装一根既能滑动又能转动的横杆，可以在运动员完成动作后立即放下来和沙坑里的落点对齐并读出成绩。1968年墨西哥奥运会上使用了早期的光学测距，这是一个长长的如同滑轨的钢尺，平行放置在沙坑旁的半空中，一只望远镜般的光学仪器就象磅秤上的砝码可在钢尺上移动，当它垂直对准沙坑里的落点时，钢尺上的刻度便显示出跳远的成绩。比蒙就是因为跳过了钢尺滑轨的尽头，才导致这种光学测距仪望尘莫及的。 1948年伦敦奥运会机械测距仪 20世纪60年代的光学跳远测距仪奥运会上统一度量衡无疑是重要的里程碑，如果你用英尺，我用市尺，他用公尺，测距就会成为鸡对鸭讲。1908年伦敦奥运会的一大贡献便是确定了米制为通用标准，从此大家便都用量度单位的共同语言与国际接轨了。但直到1968年，饱经沙场的比蒙还对米制单位如此生疏隔膜，可见习惯和文化之间的距离多么难以测量。由于距离测量的失误带来的严重后果在体育比赛中时有发生。1932年洛杉矶奥运会上，美国选手梅特卡夫卡的200米赛道多出了2米，致使夺冠的希望破灭；3000米障碍赛中所有运动员都多跑了一圈，致使本来应该获银牌的美国运动员麦克斯基在额外的最后一圈被人超过而变成了第三名；1956年墨尔本奥运会小口径步枪60发卧射比赛中，加拿大选手奥里蒂以完美的600环创造了世界纪录，但后来发现射程距离比奥运会标准短1.5米，记录不能被正式承认；2000年悉尼运会体操比赛中，由于跳马的安放和调整失误，比标准高度矮了5厘米，致使包括霍尔金娜在内的体操明星在比赛中前仆后继，一个个都摔得晕头转向； 1965年中国第二届全运会10000米竞赛由于少记一圈,致使这一项目没有成绩。如何更快捷、准确、可靠地丈量距离，是体育运动的持久课题。现代科技发展使测距手段与日俱新。当我们看到今天的选手把标枪、铁饼投出后，便有一位裁判在落点插上标志，接着安放在远处的激光测距仪便立即报告出准确的读数了。让光线代替人来回跑一趟，便是这种测距仪的工作原理。看不见的波长900纳米红外激光对人眼无害，能迅速投射到落点标志上反射回来并被接受。通过比较发出的光线和接受的光线波长相位的差异，便能准确计算出往返距离的长度。而最新的激光测距仪则连续发出短促的激光脉冲，然后接受从测量标志上反射回来的信号。尽管光线的速度为每秒30万千米，但精确到纳秒的仪器却能够准确测出激光走完一个来回所花的时间，剩下的就只是简单计算了。激光测距仪激光测距仪工作原理每次插在落点处的标签也有特别的构造。它的顶端是一个复合的三棱镜，也称为回射器。光线无论从什么方向射来，它都能按照原方向反射回去。对于灵敏度极高的测距仪，接受这样剂量的信号已经绰绰有余。测距仪决不会安放在运动员的正后方，因此激光跑过的路程实际是落点到仪器间的距离。测距仪自然会用余弦公式算出正确数据。我们看到跳远选手如果起跳犯规，显示屏上就会立即发布他超过起跳线的距离，并能准确报告每个运动员起跳点的数据。这项技术是让一排平行的红外激光束沿垂直方向紧贴地面横扫过起跳板所在的区域，当某一排光束受到选手起跳脚的阻挡时，接受器便会显示出对应的位置来。长跑运动员临赛前，都会在身上佩戴一个钮扣般的小芯片，其中输入特定的个人信息。经过跑道上的计圈器时，芯片发出的信号就会被接受和处理，并在屏幕上显示出运动员剩余的圈数。选手们都可以放心大胆的奔跑，而不必暗中默默给自己记账，记圈员也不再担心长跑中被运动员们套圈套糊涂了。 2007年4月15日在匈牙利德布勒森举行的国际马拉松比赛中，肯尼亚选手菲利普以2小时10分46秒获得冠军，这是一个十分可喜的成绩。然而事后发现由于测量疏忽，整个赛程距离少算了2200米，为此匈牙利体育官员以公开信方式表示遗憾和道歉。马拉松和其他公路长跑的赛道勘测和丈量是一大学问。必须由国际田联颁发了A级或B级证书的测量员骑着安装了尤尼斯.欧尔斯计数器并经过校准的自行车来完成。这种计数器通常固定在自行车前轮左侧的轴上和轮辐联动。车轮每转一圈计数器便走动约20个数字。由于车轮圆周是一个定长，整个赛程起始点的距离就很容易确定了。马拉松测距计数器尽管1924年国际田联正式确定马拉松赛程的距离为42.195公里，但由于考虑到自行车测距中可能出现的微小误差，因此按每千米额外多增加1米来测量，计数表上的有效里程实际为42.237公里，充分体现了规则制定的宁严勿宽。更重要的一个共识是，由于马拉松和其他公路赛经常有弯道，而选手们完全可以充分利用道路的宽度对赛程裁弯取直，弃弧走弦，尽可能寻找捷径。这就要求测距员具有高度的职业水准，能骑着自行车先行选择一条最短的路径让人无空子可钻。马拉松路线的裁弯取直从马拉松赛程之遥到跳高架刻度之微，从动态的投掷丈量到静态的场地设备校验，测距的一丝不苟和精益求精是体育运动的前提和保证。上一篇：运动场上的时间简史标签：奥运 , 测距 , 科学 , 科技之光; 个人分类: 奥运|828 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（二十九）: songshuhui 2008-9-4 14:10; 科学松鼠会发表于2008-01-29 星期二 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。聚乙烯、聚丙烯草株即使近距离熟视和伸出手触摸都和天然草并无二致。球场变革始于足下 2007年10月，NBA在中国上海和澳门的两场季前赛让无数球迷心旌摇曳、如醉如狂。两支正宗的美国职业篮球队不仅自带拉拉队，还自带专用的赛场地板，这种兴师动众的阵仗实在举世罕见。俗话说百里不运粗，NBA脚下的篮球地板究竟是何方神圣？值得不远万里空运到中国吗？ 2004年NBA中国赛安装篮球场地板这也许要从篮球运动的特色说起。不像举重、拳击、摔跤等项目按体重划分级别以确保公正，篮球场上无论运动员身高几许，球篮都是离地面3.05米，这就使得篮球成了巨人的运动。一个球队的实力首先体现在空中优势上，有了制空权就能更好在对方头顶上传球，而从正上方扣篮和灌篮时，内径45厘米的篮圈在投球的速度方向上是一个正圆，对于25厘米直径的篮球通过有很大的宽裕量。随着入篮角减小，篮圈在球的速度方向上变成了越来越瘪的椭圆，投进空心球的难度就越来越大。计算表明，当入篮角小于33度45分时，椭圆的短径将小于篮球的直径，这时球就会在击中篮圈后被弹走了。增加投球的出手点高度，可以减小投掷角度，缩短抛物线距离，提高投篮命中率，并防止对方封盖。因此跳投便成了优秀篮球运动员的基本功。跳起高度还能够弥补身材的不足。飞人乔丹起跳时能够离开地面120厘米，在空中悬停1秒钟，除了自身天赋和运动鞋的功劳，应该说，脚下的地板也发挥了特殊作用。投篮的入篮角 NBA篮球地板用硬枫木制成，坚韧度高，变形量小，具有良好的弹性和适度的摩擦力，细密修长的木纤维不会起刺。一个球场的240多块活动地板如同机器的标准零件，通过精密的滑槽、灵活的枢纽、特制的紧固系统组装成一个严丝合缝的整体。预铺的防潮层和面板之间有橡胶制成的软垫，使地板的贮能模量增加，因此具有更理想的弹性和减震功能，这便是为什么NBA大赛在自己带来的地板上进行就更加生龙活虎并原汁原味了。体操运动员同样需要空中优势，但这里指的不是身材高大，相反高个子会因为转动惯量太大而成为致命的劣势。体操运动的法则要求运动员个子小但跳得高，因为一切复杂的跟斗和旋转都需要时间来完成，而只有跳得高才能提供停留在空中的足够时间。有些优秀体操运动员在完成高难度动作时身体重心的高度超过了跳高世界纪录。但体操运动员脚下却不能像篮球运动员那样穿一双飞人乔丹鞋。因为会大大增加身体的转动惯量，于是就更加依赖地板的弹性。体操地板同样是悬空结构，面材为坚实致密的硬木，下面均匀安装着排成阵列的弹簧和橡胶立柱，使得运动员踏跳时既富有弹性和减少震荡，又保持脚踏实地的牢固和稳定。此外，乒乓球、羽毛球地板都需达到规定的指标，排球地板则应该具有运动员扣杀和拦网时起跳所必需的弹性。然而球类比赛场地中一个绝无仅有的例外，便是沙滩排球。在体育竞赛中，沙坑从来都是运动的缓冲设施，其功能在于将动平稳转化为静，现在却用45厘米厚的沙层当作运动场，似乎有些匪夷所思。但唯其如此，沙滩排球才有了不可取代的特色、趣味和魅力。工人为2008北京奥运会沙滩排球赛加工沙子松软的沙滩和密实的地面有着不同的力学传导特性。如果把坚硬的固体比作力的良导体，那么沙层就只能算力的半导体了。当运动员的腿部蹬伸时，脚下的沙子会流动和被压缩，延长力的作用时间，减少脚对地面的冲击力，同时使脚得到较小的反作用力。沙层受力后没有弹性形变，只有塑性形变，对脚不产生任何能量回输，因此沙滩排球运动员的腿部爆发力难以发挥，无论跳跃高度、奔跑速度、制动时间都大打折扣，有测试表明，沙滩排球运动员扣球起跳时身体重心垂直上升速度为每秒2.72米，室内排球则为每秒3.52米。而沙滩场地要的就是这个效果。可别以为排球用沙的来源多如恒河之沙。根据国际排联苛刻的标准，石英沙粒的形状太圆会影响场地硬度，太有棱角会在运动员倒地产生剧烈摩擦时感到疼痛，因此必须经过专门程序打磨；沙的颜色太白或太黄都影响电视转播效果，而必须将色度勾兑得恰如其分；沙中的粉尘会使沙地在下雨后板结刮风时扬灰，因此必须彻底清除。2008年北京奥运会沙滩排球的17000吨专用沙经过18000公里中国海岸线勘查，最后选自海南省东方八所，并经过加拿大实验室检测后才车载船装运到北京，一袋沙比一袋米还贵，身价和待遇照说也不低于NBA篮球地板了。人们把足球场称做绿茵场，其中显然寄托了太多温情和诗意。柔软整齐的芳草地给奔跑中的运动员带来蓬勃朝气和身心舒适，草的高度正好把足球微微托离地面而便于施展技巧，跌倒后在草坪上滑动会切断草茎，叶片释放的浆液起着良好的润滑作用，骤停急转时草地对脚的缓冲能减小腿部的扭矩防止受伤。而对于现场和电视观众来说，草坪是比赛的脸面。球场上的绿视率更让人悦目赏心而不觉疲劳。至于草坪上那些浑然天成、整齐美观的图案和花纹，并非来自不同品种的草色差异。其中奥秘在于修剪作业时，机械按照不同方向的滚压使草的生长方向互相交错，造成了不同方向吸收和反射光线有强弱多寡之别。不过绿茵场上的草大多都是3个以上的品种混合生长，黑麦草、结缕草、高羊毛、百慕大不同品种耐践踏、耐干旱、耐严寒、抗虫害的性能高下互见，进行合理搭配能形成良好的互补关系，保证草坪的整体品质。灌溉、施肥、杀虫、中耕草坪管理用得着一整套农作技术。雨天需要高效的地下排水系统，寒冷地区的草坪需要有电热丝或暖气管铺设的地下加温系统。草坪的高贵品相与娇生惯养在所有体育竞赛场地中是首屈一指的。草皮培植养护 1999年落成的英国卡迪夫千禧体育场不乏可圈可点之处，其中一大杰作，便是将天然草皮化整为零种植在7400个钢铁的托盘中，再化零为整拼装成一个天衣无缝的绿茵场。每个模块都可以灵活拆卸，球场中圈和球门区等处草坪容易受到更多践踏，这些薄弱环节的模块就可以更频繁更换。体育场还能将全部模块移走，承接其他大型展览和演出活动。足球比赛前再让草坪模块紧急集合就能应对裕如了。 2002年世界杯足球赛上贝克汉姆率领英格兰队战胜阿根廷队的历史性战役，就是在日本札幌体育馆进行的。这个巨蛋型建筑的草坪足球场能够像抽屉一样整体滑动，从体育馆里拉进拉出。草坪作为需要阳光、空气和水的生命体，离开大自然怀抱就会枯萎凋零。终年囚禁在现代体育馆四壁的阴影里，只能靠顶部有限的亮色进行光合作用，加上长期通风不良，怎不让芳草变得芳容憔悴。当今许多体育馆都采用了这种壮观的草坪整体移动技术，巨大的钢铁托盘承载着连草带土的整个球场，停放在滚轮轨道上。只用不到一小时就能把诺大的地坪移动到位。没有赛事的日子里，草儿们可以在蓝天丽日下自由自在休养生息，一声召唤便能立刻以崭新面貌到体育馆靓丽出场。日本札幌体育场不过，天然草坪几十年来一直遇到强劲对手人造草坪的竞争。1966年，号称世界第八奇迹的美国休斯敦体育馆大胆挖掉了自己的14000平方米天然草坪，率先换上了当时初露头角的人造草坪。因为他们无法养护巨大穹顶笼罩下衰草裸土，形同菜地的球场。人造草坪由美国阿斯特罗公司首创，于是阿斯特罗草便成了人造草坪的别名。1981年英国伦敦足球俱乐部皇家公园也铲除了天然草地改装阿斯特罗草。不过第一代人造草坪很快就声名狼藉，不仅因为质地达不到天然草的柔韧和弹性，运动员跌倒后身体和人造草纤维磨擦产生的高温还容易使皮肤灼伤并难以愈合，一种因畸形受力而罹患的足部疾患也被称为阿斯特罗脚趾。于是足球界出现了天然草坪的大回潮，一度冒进的体育馆纷纷改邪归正拆除人造草坪。1988年，英国足协禁止在正式比赛中使用人造草坪，此后国际足联也宣布人造草坪非法。谁也不曾料到，坚韧顽强的人造草坪此后通过不断改善自己的品质能再度扎根并卷土重来。人造草坪示意图今天的人造草坪早已经告别了地毯时代。第六代的聚乙烯、聚丙烯草株即使近距离熟视和伸出手触摸都和天然草并无二致，千万吨硅砂和橡胶颗粒混合而成的人造土壤坚固、平实而富有弹性，牢牢支护着草茎不会倒伏，用回收耐克鞋粉碎后的橡胶粒作原材料曾在业内传为美谈。而成本低廉，养护简易，抗紫外线，全天候使用，寿命达20年以上，都体现着人造草坪的独特优势。特别对于养草一整年，使用三个月的严寒地区和高纬度、高海拔、地质贫瘠的不毛之地，人造草坪几乎是唯一选择。如今驰名足坛的皇马、AC米兰、阿贾克斯等球队都有自己的人工草坪运动场，欧洲足联早在2005至2006赛季就批准了使用人造草坪，国际足联则已经向达标的厂家颁发二星生产许可证了。人造草坪无疑具有光明灿烂的前景。而天然草坪改进的步伐也没有停止，基因工程正加紧培养新的耐寒、耐旱、耐践踏草种。何况人造草坪无论如何仿真、逼真并达到乱真，也永远不能像天然草坪那样通过新陈代谢来降低在烈日下的体温，不能吸收运动员洒下的汗液，不能散发特有的迷人清香。无论从实用上、文化上、情感上，一个有生命的绿茵场都将是永远无可替代的。上一篇：明察秋毫谈测距标签：地板 , 奥运 , 科学 , 科技之光 , 草坪; 个人分类: 奥运|1182 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（三十）: songshuhui 2008-9-4 14:09; 科学松鼠会发表于2008-01-30 星期三 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。 2008年北京奥运会的国家游泳中心水立方也许称得上当代科技与艺术的结晶。泳池哪得清如许如果没有水波和浪花，奥运会将变得多么枯燥和单调！游泳和跳水从来是举足轻重的金牌大户，也是上座率和收视率高居榜首的热门项目。如果说坚实的地面是奥运会陆军角逐的战场，那么清澈晶莹的游泳池便是奥运会水师的用武之地了。人类历代祖先都是从江河湖海中识水性的。当1896年雅典第一届奥运会把游泳列为竞赛项目时，赛场就自然而然摆到了爱琴海的皮雷埃夫斯港湾。参赛选手被轮船送到海上的出发点，一长串漂浮的南瓜是路线标志物，终点设在未经准确丈量的岸边。号称匈牙利海豚的第一届奥运会冠军阿尔弗雷德事后回忆说，在寒冷的13度海水中，迎着12英尺的大浪，我求生的渴望压倒了夺取冠军的激情。 1900年巴黎奥运会的游泳同样在天然水体塞纳河上举行。这种原始的比赛环境显然无法确定运动员的真实成绩。海水的浮力大于淡水，而江河具有一定的流速。1908年伦敦奥运会，组织者在白城体育场中间挖了一个100米长的游泳池，虽然水陆同场，游跑并肩，但奥运会比赛总算第一次在人工游泳场进行了。此后的游泳池往往一专多能。1948年伦敦奥运会拳击比赛的擂台就是游泳池上搭起的一座小桥，让选手们饱受水面散发的氯气熏呛之苦。1964年东京奥运会游泳池在比赛结束后就铺上地板变成柔道竞技场了。随着生产力突飞猛进的发展，奥运会游泳池作为水上项目的操场也日益正规化和专门化。迅速增长的社会需求更使游泳池修建越来越成为小菜一碟。几十年间，地球上的每座城市乃至大学、旅馆、私人寓所都拥有了游泳池。这是一个五光十色的游泳池家族，有室外室内之分，海水淡水之别，堪萨斯露天泳池面积相当于城市的半个街区，布鲁塞尔的耐莫33游泳池深33米，是世界著名的潜水胜地，而智利的圣.阿尔芬索海水游泳池长1000多米，面积达8万多平方米，被列入吉尼斯世界大全。但他们的功能都只限于公众的休闲娱乐，不能用于正式的重大比赛。智利圣.阿尔芬索海水游泳场现代的奥林匹克标准游泳池的尺寸应该是恰到好处的。长度50米，允许误差值为正3毫米，但不能短一丝一毫，并且必须用激光测距仪认定。宽度25米，深度以2米为宜，正是这个2500吨的水体凝聚了无限的智慧和创造力。打从1920年安德卫普奥运会上澳大利亚游泳选手控告美国队阻挡他们前进，1924年的巴黎奥运会便第一次用绳索穿上软木块，在游泳池面拉起了8条漂浮的分道线。今天高水准的游泳池大都有10个泳道，分道线用不同颜色的塑料小叶轮串接而成，当运动员激起的水波向相邻泳道传递时，首先就会驱动这些小轮子旋转，吸收和消解大部分能量，有效减少了彼此之间的干扰。灯光调控在最佳的水平照度、垂直照度和标准色温，并且不在池壁上投下影子；高灵敏度的计时触摸屏精确到千分之一秒；设有压力传感器的出发台得心应手又铁面无情；大屏幕电视和成绩公告牌及时传递着赛场的信息，无论运动员、观众和传媒记者都能处处享受到现代科学的恩惠。可别以为游泳池就是在地上挖个坑再灌满水。现代游泳馆是一个精妙复杂的高贵建筑，悬空的池底铺满纵横交错的管道，外壁四周支撑着成排的液压钢架，整个游泳池完全像一个巨大保温瓶的内胆，是一个被高科技捧起的掌上明珠。 1，氧气分子 2，紫外线作用 3，臭氧形成 4，强氧化功能 5，活性氧也别以为池子里会是死水一潭，数台强大的水泵驱动着满池清波不断循环。由3个氧原子构成的臭氧大量分解出游离氧，高效、广谱杀灭各类细菌并氧化水中的有机物。这种氧气的同素异构体氧化能力比氯气强得多，却不会产生化学残留物带来二次污染，杀菌效果比紫外线好得多，却不会由于直线传播而留下死角，同时具有理想的除臭、去味、脱色功能。由石英砂、活性炭、硅藻土等制成的过滤器将毛发和各种杂质去除，使游泳池的水质保持最佳透明度，并始终达到饮用标准。无论春夏秋冬，风霜雨雪，游泳馆里必须四季如春，池水温度严格保持在25至28摄氏度。这里的恒温系统大多以高温蒸汽为热交换传媒，而汩汩暖流从均匀分布的水口缓缓流出时，并不会造成对池水的干扰和搅动。游泳池的恒温还不仅为了保证运动员感觉舒适，中国宋代科学家沈括在观察漏壶时就发现冬日水涩，夏日水利，科学试验表明，流体的粘滞性随温度升高而降低。水温每升高5摄氏度，粘滞性将降低大约10%。因此不同温度的水会因摩擦阻力不同而影响比赛成绩。不过，如果你要指望到粘滞性较小的30多度热水中打破世界纪录的话，一定会很快引起中暑。梦溪笔谈记述了漏壶夏日水利，冬日水涩的现象而游泳池中所有物理化学指标都接受全自动监测系统控制。在回水管路上，不同的探头能把水的杂质、ph值、温度等参数传给电脑分析，然后准确发出相应的指令。尽管游泳池已经清澈见底，但水花的飞溅和光线的折射仍妨碍对水下动作的欣赏和观察。巨大环形玻璃视窗也许是向水族馆学习的结果。而水下摄像机的安装则不仅延伸了观众的眼睛，也给裁判提供了更多依据。如果早有水下现场摄影装置，1956年墨尔本奥运会上前苏联和匈牙利水球队厮打混战、血洒波涛的事就可以有根有据地提前制止了。因为女性是美丽的性别，花样游泳就成了专为女性设置的奥运会项目。但这些凌波仙子的水上芭蕾却是靠音乐的节奏来协调和指挥的。潜入水下后，空气中的声波被水面反射，完全不能听见。这时姑娘们接受的是来自水下扩音器的音乐指令。不过，她们听到的声音不是通过耳膜传递，而是水中的声波引起头骨的震动，使信号越过外耳和中耳直接传到内耳的耳蜗并被大脑接受。这种骨传导的声音像水晶般的透明，可惜失去了两只耳朵的听觉差来辨别方向，因此就无法达到立体声效果了。花样游泳运动员在水下无法听到空气中的声波人的视觉同样会在水中大打折扣。由于水的折射率为1.33，和人的角膜的折射率1.37非常接近，因此在水中睁开眼睛后，角膜无法完成正常的屈光功能，就会使影像远远落到视网膜后面，如同戴上高度近视镜而变得两眼昏花。游泳运动员在水中使用防护眼镜，不仅为了避免眼球和水直接接触的刺激，还为了确保光线从空气介质射入眼睛，从而获得一个清晰的水下视野。跳水池和游泳池的距离不得小于5米，这里却是一个三维空间的天地。百年以来，跳水设备最大的变化莫过于跳板的改进。1948年，诺曼第人巴克用二次大战剩下的300个铝管制造了一种巴克跳板，使弹跳性能大为提高。此后更坚实轻捷的铝合金跳板接踵问世，让1米板跳水成为可能。如今的跳板大都由木材、合金、玻璃纤维和碳纤维复合制成，具有良好的防滑表面。更轻的材质和更佳的弹性能减少对头部的震荡，并能将身体弹升到足够高度，为空中完成复杂动作赢得了更加从容和宝贵的时间。从跳台上试一俯瞰，会看到水下连续的气泡或水面细小的射流激起轻柔的涟漪，这种造波设备是提示距离的醒目标志。游泳池太透明了恐怕找不准水面，设计者对运动员真可算体贴入微了。 2008年北京奥运会的国家游泳中心水立方也许称得上当代科技与艺术的结晶。来自开尔文气泡构造的灵感，3000多个四氟乙烯薄膜气枕砌起一座华丽建筑，用梦幻般的蔚蓝展示着水的柔情和水的质感。高度智能化的设施处处焕发着科技的光彩。国际奥委会主席罗格称赞水立方为体育界的歌剧院，中国公众则推选她为北京奥运建筑的最佳女配角。谁说现代游泳馆不是体育的奇迹：她有大脑、有神经、有心脏、有新陈代谢、有恒定体温当我们真实感受到这一切时，就会发现她仿佛是一个鲜活而美丽的生命。北京奥运会国家游泳中心水立方上一篇：球场变革始于足下标签：奥运 , 泳池 , 游泳 , 科学 , 科技之光; 个人分类: 奥运|849 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（三十一）: songshuhui 2008-9-4 14:09; 科学松鼠会发表于2008-01-31 星期四 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。让我们把眼光离开运动场上那些高精尖的前沿科技，去观察一下许多司空见惯的鸡毛蒜皮，同样会发现有趣的知识。体育场馆拾零 2005年6月14，雅典国际田联超级大奖赛传来捷报，牙买加短跑名将鲍威尔以9秒77的成绩打破了男子百米世界纪录。还是这位牙买加飞人，2007年9月10日又在意大利城市瑞提举行的国际田联大赛中，以9秒74打破了自己保持的世界纪录。接受记者采访时鲍威尔说，假如今天的风速再理想些，我准能跑出更好成绩。这是一句大实话。当顺风风速每秒2米时，百米成绩能比无风时快0.15秒。鲍威尔上次打破世界纪录就占了每秒1.7米顺风的大便宜。而美国选手盖伊2007年6月在锐步田径大奖赛中跑出9秒76的成绩超过世界纪录时，却因为当时跑进方向的风速达到每秒2.2米，高于国际田联规定的每秒2米上限而不被承认。真可谓成也顺风，败也顺风了。同样的悲欢也落在跳远运动员头上。1968年墨西哥奥运会，比蒙的世纪一跳8米90就是在恰好每秒2米的顺风下诞生的。直到23年后的东京第三届世界田径锦标赛，美国选手鲍威尔才以8米95的成绩创造了新的跳远世界纪录。但几分钟前美国名将刘易斯就跳出了8米91，更早打破了比蒙极限，可惜当时的风速为正2.90米，因此纪录没有被承认。可见风的作用对田径比赛多么生死攸关。好风凭借力，送我上青云，不少世界纪录是靠着搭顺风车创造出来的。反过来，超过每秒2米的顺风又会将最出色的成绩一风吹。但无人抱怨这一规则的铁面无情。正如西谚所说，风大的时候火鸡也会飞。球类运动项目对风速甚至更加敏感。在奥运会上，大球比赛风速控制在每秒0.5米以下，小球比赛风速不得超过每秒0.2米。2005年羽毛球世锦赛中，许多顶尖级好手都望风皆靡，运动员戏称美国阿纳海姆体育馆空调系统为龙卷风。 2008年北京奥运会新落成的羽毛球馆一改大口径送风的传统办法，将气流分解到观众坐席下的9100个通风口，便是为了确保馆内风速完全达到奥运会规定标准。 1948年伦敦奥运会测量风速如何迅速准确地测定风速，从来是竞赛场上容不得半点含糊的大事。19世纪中期人类发明了鲁滨逊风速仪，将4个半球形的杯按杯口垂直于地面方向，顺次安放在十字形水平支架外端形成杯轮，因为杯的凸面和凹面在空气中的形状阻力差异很大，无论风从何方吹来，都会形成力矩差，带来杯轮沿竖直轴向同一方向旋转。由于对称放置的杯容易彼此遮挡并受另一边力矩的抵消，杯的线速度只能达到风速的三分之一。1926年，加拿大人帕特逊制造了互成120度夹角的3杯风速仪，使杯轮的持续转动力矩明显增大。另一种旋翼式风速仪的翼轮沿水平轴转动，如同磨坊的风车和电扇的桨叶，具有很高的灵敏度和匀速性。此后出现的热丝型风速仪则完全另辟蹊径，用电流将电阻丝加热到环境温度以上，由于不同速度的风对电热丝的冷却作用不同，便可通过测出电压或电流的变化来计量风速了。热线风速仪超声波风速仪今日运动场上常见的超声波风速仪诞生于上个世纪70年代。它的基本原理是，让成对的交换器相互发出和接受超声波脉冲，由于空气是声波传递的介质，气流运动的速度会影响声波传递的速度，因此，通过测量和计算超声波传递中的时间差就可以确定风速的大小。跳远竞赛和百米竞赛分别需要在跑道旁1.22米高度测量出直接影响运动成绩的5秒和10秒平均风速。当美国网坛名将罗迪克以火箭发球频频得分后，球场屏幕和电视上都会同时公布他惊人的发球速度，中国羽毛球选手付海峰一记劈杀，观众便能马上直接看到这个每小时322公里的世界纪录。对球速进行准确及时地现场报告，不仅是运动员的一大刺激点和兴奋点，也是当今各种球类比赛的一大卖点和看点，让观众定量了解运动员的能力和技巧。究竟是一个什么系统在完成此项繁难使命呢？运动场上的测速仪这便是默默无闻蹲在赛场后面角落里的球速测量仪。要了解它的工作原理，不妨先重温一下我们生活中都曾有过的经历。当汽车疾驰而来时啸声尖锐，绝尘而去时笛声呜咽，这种声调的变化是声源运动的结果。发声体的振动使周围空气产生疏密相间的纵波叫声波，开来的汽车能将声波的疏密间隔压得更紧，带来频率增高；离去的汽车却将声波的疏密间隔拉得更开，造成频率降低。于是我们便听到了高低不同的声调，这种现象称为多普勒效应。电磁波比声波的传播快将近百万倍，但同样会产生多普勒效应。交通警察的雷达枪把一束微波射向行驶的汽车，反射回来的微波再被雷达枪接受，通过比较发射波和反射波频率的不同，就能立刻计算出汽车的速度来。运动场上的球速测量仪和交通警察的雷达枪原理一样，不过发出的微波是射向飞行的球，根据接收到回波的多普勒频移计算出球的飞行速度。必需提及的是，交通警察的雷达枪和运动场上的球速测量仪都应尽量放置在运动目标的正前方或正后方，偏离角度越大多普勒效应越弱，测量的误差越大。声音传播中的多普勒效应 2004年美国网球公开赛中，小威廉姆斯在关键时刻的一记漂亮回球被错误判罚为出界，致使对手卡普里亚蒂获胜。尽管司线员明确表示球落在界内而裁判阿尔维斯却不予理睬。这一事件直接促进了即时回放系统的亮丽登场。媒体兴奋地说，如果裁判的两只眼睛无法适应今天的球速，就让高科技的第三只眼睛早日睁开吧！即时回放系统有个绝妙的别名鹰眼，正好出自发明者霍金斯姓氏的前4个字母。鹰眼能在10秒时间内，将球在三维空间飞行的动态轨迹和精确落点展现在大屏幕上，不仅避免了无谓的纠纷和争执，监督了裁判的失察和不公，还给观众带来了新的视角，增加了新的观赏元素。2006年纳斯达克100大师赛中鹰眼系统首次正式使用，运动员每盘有两次机会申请鹰眼仲裁。鹰眼即时回放系统鹰眼为什么能如此明察秋毫又面面俱到？这是一个由10台高速摄像机和数台电脑以及大屏幕组成的系统，计算机将球场上整个立方空间划分为毫米级的测量单元。安放在不同位置和角度的高速摄像机全息捕捉网球运动的基本数据，再通过电脑成像技术，重建与合成网球飞行轨迹的三维图像并显示在大屏幕上。国际网联表示了对鹰眼的高度认同和欣然接纳。网坛巨星阿加西说：在我20年的职业生涯中，这项新技术为网球增添了新的维度，无论对于运动员、球迷和电视观众都是最值得兴奋的事。让我们把眼光离开运动场上那些高精尖的前沿科技，去观察一下许多司空见惯的鸡毛蒜皮，同样会发现有趣的知识。当绿茵场上的足球运动员被踢伤后左盘右旋疼痛难忍时，常会看到医护人员飞奔而来，拿出一只小喷壶往伤痛处喷射一些雾剂，壶里究竟是什么药呢？原来是密闭压力下的氯乙烷。这种液体的沸点为摄氏13度，喷到运动员皮肤上立即沸腾并带走大量的汽化热，使创伤处急剧降温。冷冻能使神经传递速度减缓，冷的感觉能压倒痛的感觉起到局部麻醉作用，并能刺激血管收缩减少出血，难怪这种冷疗常常能立奏奇效了。这里还想关注一个运动场上被熟视无睹的日用品，那就是体操、举重、投掷、攀岩都须臾不可或缺的镁粉。这种白色粉末的真实身份是碳酸镁，许多文献和生产厂家都说，镁粉的功能是吸汗，保持手的干燥，增加和器械之间的摩擦力，以免打滑和脱杠，应该是简明扼要的介绍。然而几乎同样数量的文章指出，潮湿的手摩擦系数更高，例如刚洗过的脚穿进鞋子困难，数钞票时要在指头上蘸水，抡大锤时往手上吐唾沫并造出了唾手可得的成语。而早期的铅球运动员投掷时也确实往手上吐唾沫。因此认为镁粉的作用是通过吸潮减少摩擦力，以免运动员在大回环等动作中磨破手皮。并且反问道如果镁粉仅为了增加摩擦，何不把器械表面做成砂纸？镁粉改善对器械的把握真理毕竟只有一个。实验表明，在平滑的玻璃上拖动一个重物，使用镁粉后摩擦力增大，但在粗涩的橡胶上拖动同一个重物却摩擦力减小，可见镁粉到底增加还是减小摩擦力并不能一概而论。对于镁粉良好的吸湿性从来无人怀疑，但碳酸镁吸水究竟是颗粒空隙间的吸附，还是形成了进入碳酸镁晶格的结晶水？论者又各执一端。最后还得请科学实验出来说话，X射线晶体结构衍射测试表明，镁粉对水分的吸收完全是微小颗粒周围的吸附，这一过程中，碳酸镁分子的晶体结构没有发生变化。看来对镁粉功能合理的解释也许应该是，当手上的汗液形成了光滑的水膜时，镁粉吸湿增加了手和器械表面的摩擦力而防止打滑；但手掌在器械上急剧转动时镁粉又能起到衬垫作用，相当于在中间添加一层小球作滚动摩擦。镁粉同时还填平了手掌的褶皱和纹路，增加了和器械的接触面，将握力变得更加实在和均匀。总之搽粉能改善手对器械的把握，让摩擦力在合适范围内易于控制，使动作更加随心所欲和擒纵自如。高科技大约不屑一顾的镁粉尚且有诸多学问，可见运动场馆的确是个知识密集的地方，只要留心观察，就会发现许多看来简单而实际并不简单的东西。上一篇：泳池哪得清如许标签：场馆 , 奥运 , 科学 , 科技之光; 个人分类: 奥运|930 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（三十二）: songshuhui 2008-9-3 16:05; 科学松鼠会发表于2008-02-1 星期五 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。在所有哺乳动物中，马的眼睛是最大的，虽然看去炯炯有神，但视力却只有0.6左右并且对颜色十分迟钝。五环旗下的马蹄声（上）马术是奥运会上唯一由人和动物共同参与的竞赛项目。当全世界的名马、上驷、良骏、神驹荟萃一堂，五环旗下震响着清脆激越的马蹄声时，奥运会便因此平添了磅礴气势和龙马精神。那些垂直障碍、伸展障碍、水坑障碍、组合障碍挑战着人与马的技巧、力量和勇气；典雅而华贵的盛装舞步被誉为马的芭蕾，展示了人马之间的神悟默契和灵犀相通；而三日赛是马术的全能项目，考验着人和马的综合素质与绝对实力。现代赛马运动起源于英国，1900年马术就在巴黎奥运会上占据了一席之地，不过早期只允许职业军官参加。直到1952年赫尔辛基奥运会，马术才对平民开放，并逐渐形成了人不分男女，马不分公母的竞赛模式。一百多年来，奥运会始终马不停蹄，著名的美国骑师迈克.普拉姆32年间参加过8届奥运会并接连披金戴银；德国盛装舞步之王让纳.克利姆克52岁上第6次在奥运上夺得金牌；法国驭手多里奥拉在两届奥运会上摘取桂冠。今天的赛马已经发展成为风靡全球、长盛不衰的娱乐和博彩产业链，每年创造价值数千亿美元。亚历山大大帝雕像世上没有任何一种动物像马这样深刻改变了人类文明的进程。马使地球上的距离缩短，加快了社会的运行速度。因为有了马，亚历山大大帝才能离开他的马其顿城堡，建立起横跨欧亚的庞大帝国；成吉思汗才能所向披靡，让西亚和欧洲大地在他的铁蹄下战栗。世界上几乎每一个城市都能看到当地英雄的骑马铜像，而白马王子如果失去坐骑徒步走来，恐怕就很难打动姑娘的芳心。对于中国老百姓，赤兔、乌骓、的卢的故事和秦叔宝、尉迟敬德二位骑马门神几乎家喻户晓，马踏飞燕的绝妙造型更成了今天中国旅游的标志。只有当现代工业迅速发展后，人类造出了更大马力的各种机械，马才渐渐退出了历史舞台中心。今天的马儿们再也不是马上得天下的国力象征，也不再是引车负重的主要生产力，他们渐渐集体跳槽到了体育界和娱乐圈，这一历史角色的根本转变，究竟是马的幸运还是马的悲哀？希腊陶罐上的御马图马在动物王国里被划归哺乳纲奇蹄目马科，而双数足趾着地的牛、猪等则属于偶蹄目。马的起源可以追溯到6000万年前的北美洲大陆，体型如狐狸大小的始祖马从灌木丛林迁徙到广阔平原后，依次历经了渐新马、中新马、上新马和真马等演化阶段。为了适应环境和利于奔跑，马的个头由小变大，短而弯曲的躯体变成平直的流线形，前脚由四趾变为单趾，后脚由三趾变为单趾，从而完成了软肉垫的脚掌向硬角质的单蹄转变。大约200万年前，马从它的发祥地北美完全灭绝，而顺着白令海峡陆桥迁往欧、亚、非洲的分支反倒延续了马的一脉香火。当我们知道马蹄不过是马在其他脚趾退化后硕果仅存的一个中趾，修钉马掌不过是给马在修剪脚趾甲时，不由追忆起马比起人类要早得多的历史。马的进化 2006 年12 月7 日，第十五届多哈亚运会全体运动员肃立默哀，悼念韩国马术运动员金亨七在三日越野赛跨过第八个障碍时落马身亡；2005 年7 月4 日, 英国著名骑师汤姆.哈里迪在跨越第三个障碍跌倒后多处受伤而宣告不治。历次奥运会上人仰马翻的事例不胜枚举。其中原因固然各不相同，但一个总体性的根本原因在于，马的视力天然地限制了它对栏杆与地面空间的准确判断。这还要从马的眼睛功能说起。自然界的动物在遇到危险时一般都有斗或逃两种应激反应，马却只有一种选择，便是逃。看看那些食肉类动物都将眼睛长在脸部的同一平面上，以便向前捕猎，而作为被捕食者，马的一切构造都服从于走为上的生存策略，两只眼睛长在面颊的两侧，这种布局使视野非常开阔，站立不动时也能将周围几乎360度的范围尽收眼底，以防来自任何方向的偷袭。不过除了尾部有个狭窄的盲区，马还会对额前近在咫尺的东西毫无觉察，越是天庭饱满眼距较宽的马，头部的盲点越大。难怪马总要抬起头或低下头来看清脸前的目标了。而周边任何突然的风吹草动都会使马受到惊吓。马的视野和盲区在所有哺乳动物中，马的眼睛是最大的，虽然看去炯炯有神，但视力却只有0.6左右并且对颜色十分迟钝。更加有趣的是，马的视觉能够在单眼模式和双眼模式之间进行转换。一般情况下使用单眼模式，两只眼睛互不打搅，各自独立看到一幅影像；只有需要判断距离时才切换到双眼模式，让两只眼睛集中注视同一个目标，但马的双眼能够重叠的视野仅有30%。我们知道，视觉中的立体感来自两个眼睛的视觉差，大脑将双眼互有差异的影像进行融合，才能分出前后和远近，使平面图景产生深度感。这也是肉食类动物捕猎精准的原因。马的双眼模式功能相对薄弱，因此难以准确辨析立体关系，难怪跨越双重栅栏和在深沟中落地时会勉为其难了。守株待兔中撞在树上的兔子提供了草食动物视觉立体感不强的一个旁证。此外，马的眼睛虽然对微弱光线比人敏感，但从明处突然转到暗处后却不能迅速调节瞳孔大小而惊恐不安。明白了这些道理，便会懂得为什么永远都不是马的错了，而骑手敏锐的距离感、速度感和时间感能够通过准确指令弥补马的视力不足。马的单眼视界和双眼视界 2为双眼模式清晰区，1、3 为模糊区，4为盲区人着盛装，马行舞步，观众常常瞪大眼睛也看不清骑手如何用细微隐秘的动作和马儿交流沟通，更不明白这种服从性、精确性与和谐性是怎样调教出来的。马术能够达到出神入化的境界，其实离不开马的生理基础。最重要的先决条件是马的惊人记忆力，老马识途自不必言，有报道说马能记住人拴它的动作并解开绳结。正是凭着过目不忘的良好天赋，马才能够牢记每个指令的准确含义。马十分善于学习和积累，因此一旦形成不良习性就需要及时用正确程序进行覆盖和刷新。马能够具有可操纵性的另一原因，在于它细腻灵敏的感觉，能够清晰分辨出主人动作的微妙差异。和那些肉糙皮厚、麻木迟钝的动物不同，马的身体各部位如同布满不同的按钮并很少失灵。手和腿是方向盘，脚是油门，缰是刹车，对于训练有素的良马，骑手的一整套肢体语言几乎是世界通用的。所以运动员能够很好驾驭训练有素的陌生马匹。赛马跨越障碍此外，马能站着睡觉，以保持随时撒腿就跑的状态；马嗅觉特别敏锐，能远远闻到熟悉和陌生的气味；马的耳朵能感知人类听觉接受范围以外的声波，并且用竖起与耷拉表达愉悦和沮丧；马没有胆囊且食道、肠子过于狭长，因此容易引发消化道疾患；马的巨大脾脏能在运动时释放足额的红血球，提高供氧能力；马的寿命约30岁，参加奥运会和世锦赛的马匹至少要年满7岁，而马的牙齿则和年龄对应，于是有了马齿徒增的成语。至于马尾巴的功能，则既可护后，又可在奔跑时起到尾舵的平衡作用。马的知识是一本大书，而深入了解马情应该是每个优秀骑师的基本功课。上一篇：体育场馆拾零标签：奥运 , 科学 , 科技之光 , 马术; 个人分类: 奥运|891 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（三十三）: songshuhui 2008-9-3 16:04; 科学松鼠会发表于2008-02-2 星期六 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。可以预言，100年后的人类社会仍将马照跑。但人和马的关系大约还得调整。五环旗下的马蹄声（下）英国利物浦安翠赛马场旁边的花丛中，长眠着一匹屡建奇勋的冠军马红朗姆。它从1973年到1977年，曾连续在全世界难度最大的英国国家大赛中夺得三次冠军和两次亚军。中国中央电视台记者蔡猛在采访红朗姆的驯马师金基尔.麦肯时问道，听说红朗姆去世后你像失去妻子一样难过？这位70岁的老人含着热泪回答，英国有2500万妇女，而红朗姆却只有一个。此言虽然值得非议，但却道出了骑师对赛马刻骨铭心的感情。1979年英国国家大赛前身患癌症的鲍勃.钱皮恩和受伤后被判了死刑的赛马阿尔丹提尼相濡以沫，人马同心，终于赢得1981年英国国家大赛的冠军。历史上留下了多少美丽、凄婉、悲壮的故事，记述了人和马的生死之交。作为最有灵性的动物，马可以在极限状态时仍然绝对忠于主人的命令，知其不可为而为之，奋不顾身，死而后已。好的骑手对马的感情如同亲子、密友和恋人。英国利物浦安翠赛马场的红朗姆雕像 1956年首次在南半球墨尔本举行的第16届奥运会曾经遇到一个空前绝后的难题，根据澳大利亚的法律，一切牲畜入境必须经过６个月隔离检疫，结果导致该届马术赛被迫另找出路，提前5个月移师北半球斯德哥尔摩举行。为了保护本国畜牧业并防止参赛马匹互相感染疾病，奥运赛马出入境检疫历来都是最严格、复杂而敏感的工程，其动静不亚于接待高级外交使团。马匹的护照比人的护照厚得多。它几乎是一份详尽的档案并附有权威机构的健康证书。入境马匹的空运路线和停靠港要认真选择，消过毒的机舱里有专人护驾，地面接送的特制车辆实行无菌处理并安装监控的黑匣子，到达驻地后严密的隔离、详尽的体检、及时的疫苗注射，全套程序一丝不苟。2008奥运会马术比赛地香港不仅做好了一切准备，还设有最先进的马医院，其中手术室、麻醉室、复醒室、X光透视室等一应俱全，阵容强大的马医队伍随时应对竞赛期间马匹的疾病和伤害，并能通过互联网与各国专家进行远程会诊。赛马的国际运输 2004年雅典奥运会上，爱尔兰著名骑手奥康纳赢得了障碍赛冠军。但赛后的兴奋剂检验中，奥康纳的名马沃特福德水晶的尿样被查出阳性。此后经历了曲折离奇的侦探故事，沃特福德水晶的备份尿样在从巴黎送往伦敦实验室途中失窃，最后在纽约实验室通过血样检查才坐实了这匹赛马服用了氟非那嗪和氯化联苯类药物。尽管苏黎世法庭最后判定奥康纳是出于治疗赛马外伤的目的，国际奥委会仍然决定剥夺奥康纳的冠军地位，于是爱尔兰失去了2004年雅典奥运会唯一的金牌。奥运会的兴奋剂检测对马和人一样严格。香港拥有最先进的兴奋剂检测中心，其技术和设备的精准、权威举世公认，连一小粒盐溶解到游泳池里的浓度也能原形毕现和暴露无遗。爱尔兰骑手奥康纳和他的沃特福德水晶马在2006年香港国际马匹拍卖会上，一匹枣红色雄马以750万港元成交。而多哈亚运会上，7位参赛的阿拉伯王子带去的宝马每匹价值都超过2000万人民币，它们都是出身显赫、血统高贵、历经数百年精心育种后造就的马中之龙。阿拉伯马是活的艺术品，世界许多优良马种都有它的血统。纯血马则是最伟大的杂交马，几乎包揽了当今世界所有速度赛的冠军，1000米跑的纪录达54秒。17世纪英国王室从中东引进三匹名叫达利、高德芬和拜尔利的阿拉伯公马和当地母马交配，今天全世界的纯血马都是这三匹公马的子孙。纯血马培育成功的重要原因是通过赛马中的优胜劣汰进行人工选择，让最杰出的个体传宗接代，另一大原因是严格的封闭式注册管理制度。自从1791年出版了第一本纯血马登记簿，200多年来纯血马家族谱系的档案严格而清晰，小马的出生地点、身体特征、血样标本、父母历次出赛成绩、马主变更相关资料全都一览无余。2001年起开始施行DNA亲子鉴定，确保了纯血马的血统纯正和遗传稳定。优秀的温血马同样驰名赛场，德国的汉诺威马和霍士丹马是跳跃和盛装舞步的天之骄子；法国的塞拉法兰西马、美国的阿帕卢莎马、丹麦的腓特烈斯堡马、西班牙的安达路西亚马、俄罗斯的奥尔洛夫马都满载着各自的骄傲与光荣；而驰骋如风、挥汗如血的汗血马则是土库曼的国宝阿哈捷金马，人们常津津乐道于它的高贵和神秘。当今世界各种名马都有一整套系统而科学的繁育、管理规则，确保了赛马业的可持续发展。 2006年香港国际马匹拍卖会 2006年11月，世界赛马业发生了一次余波深远的大地震。美国奥斯丁的维亚金公司宣布，他们成功克隆了世界赛马冠军查尔马妮的坐骑斯坎普。这匹神马从1984年到1993年连续10届获得冠军，但可惜是匹煽马而没有能力生儿育女。查尔马妮花费15万美元，于2006年8月8日得到了它的克隆后代克莱顿。而世界上第一匹克隆马普罗梅泰是2003年在意大利克雷莫纳实验室诞生的。打从1996年克隆羊多利问世以来，克隆技术已经为世人所熟知并广泛应用。马的克隆同样十分简单。将种马活组织细胞里的遗传物质DNA取出来，移植进抽空了细胞核的卵细胞，再将经过培养后形成的胚胎细胞植入母马子宫，直到克隆马出生。关于克隆得马，焉知非祸的大辩论迄未停息。各级正式的赛马组织坚持只给自然状态下出生的小马上户口，并且认定克隆马将使秩序井然的名马谱系陷入混乱和崩溃。更有反对者出言道，如果克隆马和自己的原版同场比赛，无异于10个乔丹同场打篮球。而克隆马的支持者则认为，百分之五十的冠军马从幼年便忍受宫刑以达到心无杂念的竞技状态，他们的基因不能流传甚为可惜，何况克隆马只相当于正版马迟到的同卵双胞胎而已。查尔马妮的克隆马克莱顿是她的冠军马斯坎普的后代不过赛马业对现代医学的态度已经日益宽容，用马幼年时代取下的干细胞修复关节和肌腱创伤早就不是新闻。美国的绕桶赛已经允许人工授精和试管繁殖的马匹参加，各国生物技术公司目前已克隆了20匹以上的良种赛马，2006年6月5日，美国有千名观众在内华达州观赏了世界第一次克隆骡子比赛。看看英国安妮公主、西班牙皮拉公主、约旦哈亚公主等先后担任国际马术联合会的主席，伊丽莎白女王、查尔斯王子、摩纳哥安德鲁王子和夏洛蒂公主等都是马术高手，而25岁的拉扎.菲利普斯公主已经成为世界冠军，赛马运动至今仍在炫示着它的宫廷起源和王室出身，而诸多现任的西方政要显达都是马术的狂热者，则更彰显了赛马的豪门气息和贵族色彩。 2008年北京奥运会前夕，6位中国马术运动员全部达标，满额取得了东道主国的参赛权。他们是中华民族进入奥运马术比赛的先驱，中国人也从此实现了全部参加奥运会28个大项的完美和圆满。可以预言，100年后的人类社会仍将马照跑。但人和马的关系大约还得调整。不会再像几千年来那样当牛做马，也不会完全成为少数人的奢侈宠物而天马行空，马术终将进一步走向平民，才会有更多人倾听五环旗下的马蹄声。拉扎.菲利普斯公主备战2008北京奥运会上一篇：五环旗下的马蹄声（上）标签：奥运 , 科学 , 科技之光 , 马术; 个人分类: 奥运|1047 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（三十五）: songshuhui 2008-9-3 16:03; 科学松鼠会发表于2008-02-3 星期日 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。历届奥运会曾经使用过火药、硫磺、树脂、萘、橄榄油、四氮六甲圜做火炬的燃料。圣火不灭历届奥运会最宏大的格局和最壮阔的场景，莫过于举世瞩目的开幕仪式了。这是一个时代人类社会组织能力和文明水准的标志。而点燃圣火则是开幕式的点睛之笔。随着主体育场美丽的火焰冲天而起，奥运之龙便破壁而飞了。难道是原始祖先进行群体活动时围着的那堆篝火，今天仍在奥运赛场上照耀着我们？人类使用火的历史可以追溯到100万年之前，是火启动了人类的全部文明，甚至造就了人类本身。普罗米修斯是唯一因为偷盗而受到顶礼膜拜的英雄，而钻木取火的燧人氏则更加朴素和接近真实。古奥运会风尘仆仆的火炬手在伯罗奔尼撒城邦间宣示神圣休战的消息，现代奥运会的火炬则是1928年在阿姆斯特丹体育场正式点燃的。1936年柏林奥运会后，火炬接力传递便成了每届奥运会的先声和序曲。人们为此倾注了无限智慧、心血和情感，冀望于和平、团结、友爱的奥林匹克精神在全世界薪火相传。 1936年柏林奥运会火炬接力奥林匹亚的赫拉神殿是奥运圣火永远的故乡。高雅美丽的希腊少女在这里用日光点燃第一支火炬，这种古老的取火方式能唤起我们许多遥远的记忆。传说中阿基米德曾经发动希腊百姓用镜子反射日光烧毁敌人的战船，中国人在西周时期便发明了阳燧，崔豹在《古今注》中描述道：阳燧，以铜为之，形如镜，照物则影倒，向日则火生，以艾炷之则得火。今天奥林匹亚女祭司们为奥运会采集圣火的锅，应该是中国古代阳燧的升级版。中国古代阳燧阿基米德的日光武器当抛物线沿着对称轴旋转，就能得到一个抛物面。这便是取火器的几何形状。平行光线经过反射后能被抛物面聚焦，使镜面接收到的辐射能量高度集中。我们知道，太阳从1亿5千万公里外把光线投向地球，大气层顶端与阳光垂直的每平方米面积便接受1368瓦的辐射能，称为太阳常数。由于大气和云层遮挡，阳光来到地面后的照射强度会降低，不同纬度和季节的日照也有很大差异。点燃圣火的镜面必须有足够的采光面积并对准太阳，使焦点部位的温度达到火炬的着火点。这也是为什么遇到阴天圣火无法点燃时，就只能启用晴朗天气预先采好的火种了。从日常生活中的太阳灶到碟形卫星天线和反射式天文望远镜，我们时常能看到大大小小抛物面在仰天张望。而探照灯则把光源放在抛物镜面的焦点上，从而投射出平行光线。圣火采集抛物面今天人类社会使用能量的90%以上仍来自燃烧。不管奥运圣火如何神圣，要在地球上燃烧就必须满足三个要素。那便是燃料、助燃剂和温度，人称火三角。1772年，法国化学家拉瓦锡第一次揭示了火的秘密，提出可燃物质的氧化学说。燃烧是强烈放热和发光的快速化学反应过程，高于着火点的温度使燃料强迫着火，引起分子的化学键断裂，在燃烧区内和助燃剂发生原子间的交换和重组，放出的热量使氧化反应在点火源移走后能够继续自持进行。奥运火炬不能像实验室里的本生灯那样有热无光而应该鲜艳明亮。历届奥运会曾经使用过火药、硫磺、树脂、萘、橄榄油、四氮六甲圜做火炬的燃料，柏林、伦敦、墨尔本奥运会进入主体育场的火炬燃料都选择了金属镁，虽然能发出炫目的光辉，但火星四溅以致烫伤运动员手臂的场面敦促着人们对火炬加以改进。1972年慕尼黑奥运会首次将24%丙烷和76%丁烷压缩成液态装在罐中做火炬燃料，此后液化气成了奥运火炬的上选。其实任何火焰中燃烧的物质都是气态。液体燃烧前必须先行蒸发，固体燃烧则是经过热解后释放出来的挥发成分参加反应。所以风中火焰的形状总是闪烁跳跃、飘忽不定了。按恰当比例完全燃烧的火焰是几乎无色的，正是火焰中的碳微粒如同千万个小小的灯丝辐射出光和热。浓烟则是燃烧中残碳过多的表征。火焰示意图几乎每一届奥运会主办国都会搜索枯肠，奇计百出，让圣火传递不同凡响。除了迈开双腿奔跑，从自行车、独木舟、大篷车、汽车、火车、轮船到超音速协和飞机，从马背、骆驼、狗拉雪橇到跳台滑雪和空中跳伞，奥运圣火跨越千山万水的旅行也几乎穷尽了人类的运载手段。这里至高无上的使命是确保圣火历尽八十一难也不会熄灭，否则就要重新回西天取经了。1976年蒙特利尔奥运会，一场瓢泼大雨浇灭了奥林匹克体育场的主火炬，场地监督布歇耳情急之下掏出打火机非法点燃圣火的故事家喻户晓，这次熄火的真正原因是雨水将火三角中的温度降到了燃点以下。水是比热容仅次于氨的液体，每千克水升高1摄氏度要吸收1000卡热量，而水在100度汽化时吸收的热量是水从0度上升到100度所需热量的5倍，难怪消防部门把水当作最好的灭火材料了。2004年雅典奥运会，帕纳辛纳克体育场的大风吹熄了奥组委官员点燃的全球接力火炬，这是因为火三角中的燃料被风带走而来不及补充。因此火炬设计的基本原则是对火三角的巩固和加强。 1996年亚特兰大奥运会火炬 2000年悉尼奥运会火炬 1996年亚特兰大奥运会火炬采用双火焰结构，燃气从储气罐中出来后兵分两路，一路大火焰在火炬顶端光芒四射并栉风沐雨，另一路小火焰躲在大火焰下面的挡风墙中养精蓄锐和保驾护航，使主气流随时受到小火焰不间断的点燃。2000年悉尼奥运会的火炬以65%的丁烷和35%的丙烷为燃料，利用火焰的回热管保温，克服液态燃料汽化吸热引起的燃料罐压力降低，并用极易散热的金属薄片制成火炬外壳防止雨水在上面汽化。根据测试，火炬在每小时65公里的大风和倾盆大雨中依然会熊熊燃烧。至于每届奥运会特别精心呵护的圣火种子安全灯，也正是营造了最安全的燃烧小环境，将火三角变成了铁三角。悉尼奥运会火炬水下传递水下火炬示意图水下火炬传递是悉尼奥运会大胆而浪漫的尝试，生物学家邓肯在大堡礁海域4米深的水下手擎火炬潜泳3分钟，创造了水火交融的一大奇观。为确保燃气在深水下顺利喷出并形成稳定的燃烧区，燃料罐内必须达到很高的压力，由于水下没有氧气助燃，火炬必须自带氧气和燃料进行预先混合，并点燃主要发光燃料镁。在地面上这种火炬燃烧温度超过2000摄氏度，亮度可达35000烛光。水下火炬的制造工艺虽然复杂，但基本原理并不难进行演示，中国科技大学火灾实验室就曾经重现了火炬在水下燃烧的过程。进入航天时代的人类曾经按捺不住心中的豪迈和冲动，想把奥运火炬传递扩展到太空。1976年蒙特利尔奥运会就别出心裁，在雅典帕纳辛纳克体育场将来自奥林匹亚的圣火直接传递到北美大陆。这是一个特制的传感器用来收集火焰离子的全息信号并将能量进行储存，然后转化为声波信号代码，通过卫星传送到渥太华，再通过地面接收器将这些声波信号解调，最后转换成对应的激光束点燃起火焰。这一高科技手段虽然最近似上帝的礼物但却备受非议，前后仅仅5天的过程有负公众的长久期待，况且洲际间的传递失去了火的实体而只剩下火的信息，未免过于虚无飘渺并偏离圣火传递的初衷。1996年亚特兰大奥运会组织者的构思更现实得多，他们设想把火炬送上航天飞机，但出于安全考虑，美国宇航局只批准哥伦比亚号搭载熄灭的火炬。我们不妨设想，如果火焰真的在航天飞机上燃烧会是何等情景，失重环境下没有冷热气体的对流，火焰将不再是一条稳定向上的火舌，而会变成一团渐次膨大和黯淡的火球。 1996年亚特兰大火炬在肯尼迪宇航中心失重状态下的火焰 2008年北京奥运会火炬的最大亮点，是登上世界第三极珠穆朗玛峰。在海拔8844公尺的世界屋脊，温度常在零下40摄氏度，风速达到10级，含氧量仅为海平面的三分之一。但火炬凭着先进的回热功能，双火焰设计和燃料预混装置，完全能在如此恶劣严酷的自然条件下大放光明。而真正的困难在于火炬手和电视转播人员背囊负重跨越生命的极限，这是一个群威群胆的系统工程。当祥云火炬在地球之巅呼啦啦燃烧的时候，世界将见证奥运圣火传递史上又一个空前壮举。奥运之火天上来，五洲万国走一回。我们不会忘记火是人类文明之源。洪荒时代的人类因为擎起了火炬而和动物分道扬镳，今天的人类格外珍惜奥运火炬的长征，这是千万双手在全世界传递温暖与光明。 2008北京奥运会祥云火炬传递和谐之旅号专机上一篇：冰雪盛会标签：奥运 , 科学 , 科技之光; 个人分类: 奥运|1087 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（三十四）: songshuhui 2008-9-3 16:03; 科学松鼠会发表于2008-02-3 星期日 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。也许我们总有一天能建造更多环球同此凉热的人工冰雪场，但作为奥运会的半边天，冬奥会大概永远只会在地球高纬度地区的冬季举行。冰雪盛会比起赤日炎炎、热力四射的夏季奥运会，冰天雪地、银装素裹的冬季奥运会别有一番韵致和风光。这里是洁白如玉的征途，晶莹如镜的赛场，断桥危立的跳台，陡峻盘曲的滑道。脚踩冰刀和滑雪板的健儿们驰骋如风、将飞欲翔；驾驭雪橇的勇敢者则创造了陆地极限速度，被誉为冰上一级方程式。1908年伦敦奥运会便首次设立了花样滑冰项目，但早期奥运会夏行冬令的确勉为其难。1924年巴黎奥运会将冰雪项目的比赛提前半年在夏蒙尼举行并称之为第八届奥林匹亚国际体育周，此后被国际奥委会追认为第1届冬季奥运会。当白色奥运从附庸地位到另立门户，五环旗交替飘扬在地球上寒暑分明的两个季节时，奥运会就更加色彩绚烂和充实完整了。要说冬奥会是一种水上运动也不为错，因为冰雪本来是固态的水。尽管地球表面71%被水覆盖，并且有2%的水体以冰的形式存在。我们对于水和冰的认识却仍然相当肤浅，包括人在冰雪上运动的复杂力学关系。 2007年11月9日，加拿大选手沃瑟斯庞在美国盐湖城以34秒03的成绩创造了500米速滑世界纪录，平均速度达到每秒14.69米。而牙买加选手鲍威尔2007年9月9日创造的男子百米短跑世界记录为9秒74，平均每秒10.27米。可以说，滑冰是人类靠着双脚在地球表面上移动的最快方式。 2007年11月沃瑟斯庞参加盐湖城速度滑冰世界杯赛关于滑冰的记载可以追溯到4000多年前的斯堪的纳维亚半岛。将鹿和牛的胫骨、肋骨绑在脚上，这就是冰鞋最早的雏形。1250年，镶嵌在木板上的铁制冰刀在荷兰出现。而1572 年苏格兰人发明的第一双全铁冰刀则是现代冰刀诞生的标志。为什么冰刀不能在水泥、玻璃、钢板上滑行，却能在冰面上翔舞自如、游刃有余呢？许多文章和教科书已经告诉我们，首先由于冰刀的压力使冰的熔点降低，同时由于摩擦生热，导致接触点的冰迅速融化，于是产生了一层薄薄的水膜，在冰刀和冰面间起润滑作用。也有不少科学家始终质疑这一解释，认为仅凭冰刀的压力和运动的摩擦远不足以使冰面融化。近年来的研究已经证实，冰即使在环境温度远远低于熔点的情况下，表面也会形成厚度由几个水分子到几千个水分子构成的液态层，这是因为冰层内的每个水分子都被上下左右其他相邻分子所固定，而表面水分子则只能与下层分子连接，垂直振动速度更快，于是失去稳定的晶体结构，即使在远远低于熔点的温度下也会表现为半液体状态。这一发现的重大意义在于，冰的光滑主要是自身的天然属性，而不是来自外力的作用。冰刀在冰面上滑行示意图滑冰无疑是最舒展流畅、轻盈灵巧的运动，身体蹲屈，两腿交替，蹬冰、收腿、下刀、滑进，运动员流星般掠过冰面，身后留下美丽的弧线。滑行时我们追求最小的阻力，但蹬冰获得动力时，又需要有最大的阻力。因此身体重心所在脚的冰刀长轴必须与前进方向一致，蹬冰脚的用力方向却要与冰刀长轴垂直，靠锋利的刀刃切入冰层去啃冰。和菜刀的刀刃大相径庭，冰刀的刀刃是一个拱形的凹槽。中长距离速滑冰刀要保持较好的直线性，因此刀身较长；短道速滑冰刀的刀身相对较短并较高，以便于在弯道上弧线前进和倾斜度很大时冰鞋不会接触冰面。而冰球运动员左奔右突，花样滑冰运动员翻腾跳跃，对灵活多变的要求胜过对直线速度的要求，因此冰刀的刀身短、刀刃利、刀槽深，前端一排锯齿能够更好控制急转骤停。 1998 年日本长野举行的冬奥会上，速度滑冰的世界纪录几乎全部被打破，接着在2002 年美国盐湖城冬奥会上,所有世界纪录又再次被刷新，导致这场冰上革命的直接原由，便是被运动员戏称为托板鞋的克莱普冰刀。克莱普冰刀克莱普冰刀滑行我们在奔跑和跳跃时，髋关节、膝关节、踝关节的肌群能按照自然顺序协同工作。但在传统的滑冰动作中，由于冰鞋和冰刀前后两端固定，完成蹬冰动作时如果伸展踝关节就会招致刀尖刨冰，轻则增加阻力，重则失去平衡，因此必须控制踝关节跖屈，并将锁踝作为技术要领，这样滑冰就将踝关节肌群的力量扼杀，只靠膝关节和髋关节肌群来干活了。克莱普冰刀的巧妙构思是，将冰刀的前刀托用铰链和冰鞋连接，后刀托可以和冰鞋随时分离。其核心价值在于解放脚踝，使运动员在重心前移时，后刀托与鞋跟自动脱开，于是踝关节、跖关节都可以在蹬冰最后阶段自由伸展，并依然保持冰刀全刃着冰。膝关节力量也因此得以更充分发挥。克莱普冰刀实际上将传统冰鞋足部绕刀尖转动变为绕脚掌转动，身体重臂为之缩短，同时克服了蹬冰时重心主要横向移动的弊端，使身体重心能够纵向前移。统计表明，克莱普冰刀能将中长距离比赛的滑行速度提高5%，平均每圈400米要快1秒到1.5秒。皑皑白雪从来是诗人画家灵感和巧思的源泉，也是冬季奥运会高洁而素雅的底色。而滑雪板则是运动员必不可少的基本装备。人在双脚站立时，对地面的压强约15000帕，行走在积雪没胫的原野上，每一脚都要把松软的雪压实，因此会消耗许多能量而举步维艰。滑雪板将踩雪面积增加了20倍，脚对雪的压强也减少到原来的20分之一，人便被这双大脚板托在雪的表面上而能够畅行无阻了。滑雪板示意图雪的表面也许是地球上最神奇的表面之一，固态、液态、气态的水在这里同时并存相互作用，形成复杂的物理特性。滑雪运动可以看成人-板系统重心转动和曲线运动的合成。高山滑雪是重力势能转化为动能的直接演示，体重大的运动员单位体重受到的空气阻力更小，因此会滑得更快。大、小回转时不仅靠手中的雪杖像船篙一般改变行进方向，更要靠身体倾斜让滑雪板底面和雪面形成一个夹角。高速滑行的边刃刻入雪地后，侧面切削的横向摩擦力和滑雪板边缘相垂直，提供了人体曲线运动的向心力。新型的滑雪板头尾较宽，腰部较细，形如沙漏，施力后会形成一定弧度引导转弯。滑雪板越短，板腰越窄，转动半径就越小，没有弯曲变形的滑雪板是无法转弯的。现代滑雪板能在运动员跌倒后自动脱扣以策安全。而为了减小摩擦和保护滑雪板，打蜡从来是运动员必须掌握的重要技巧。滑雪回转姿势 CM：人体质心 W：重力 Fload：雪面荷载 FN：荷载与重力的法向分力 Flat：荷载与重力的侧向分力 FC：离心力：人体倾角：雪面坡度跳台滑雪是冬奥会中最壮观而刺激的项目。从100多米长的助滑道俯冲而下，37度的陡坡到末段急剧减小为11度左右的缓坡，运动员在起跳点以每小时100公里的速度腾空而起，展开又宽又长的滑雪板飞行约6秒钟，落在90米或120米处的K点。巍巍跳台虽然高达几十米，但运动员身体和地面相对高度却始终不过数米，斜坡的弧度和运动员在空中的抛物线轨迹大致平行。当运动员最后以极小的角度落地时，垂直于地面的冲击力远远小于三级跳远之类的田径项目，何况还有40厘米厚的雪层缓冲，难怪总会是有惊无险的。跳台滑雪既可看成一次人体的下斜抛运动，也可以看成一次飞行物的起飞和着陆。跳台滑雪示意图夏季滑雪跳台如今风行世界的夏季跳台用特制瓷砖和喷水系统建造助滑道的滑轨，用摩擦力极小的弹性发泡塑胶铺设山坡的着陆区。不仅成为跳台滑雪运动员一年四季的训练基地，也成了吸引广大公众的旅游业新宠。 1932年2月普莱西德湖冬奥会的最大危机来自气候的反常，骤然升高的温度导致赛场冰雪消融，不少项目只能勉为其难在溏薄的残雪中进行，让运动员摔得鼻青脸肿。1964年因斯布鲁克冬奥会万事俱备，只欠降雪，在58年未遇的暖冬中，奥地利紧急动用军队从山顶运来2万立方米积雪救场。但开幕式前赛场又遭降雨破坏，一名奥地利滑雪运动员和一名英国雪撬运动员在训练中丧生。可见冬奥会成败的关键是与天气合作。到了1988年卡尔加里冬奥会，摄氏18度的熏风吹化了满场冰雪，致使赛程拖延了16天并搁置了不少项目。但多亏强大的人工造雪机支撑危局，使高山滑雪等能够继续进行。打从1980年普莱西德湖首次使用人工造雪，冬奥会已经开始改变完全靠天吃饭的宿命了。大气中的水在摄氏0度下能以微小尘埃为凝聚核，结晶成六角轮廓、形态对称的美丽雪花。人工造雪便是对大自然降雪机制的粗略模拟，将水进行充分雾化后，通过高压泵和排风扇喷射到寒冷的空气中，让这些细小的水滴迅速结晶。科学家用细菌发酵生成的一种亲水蛋白作为理想的凝聚核添加到水中，不但能使水雾更快、更完全落地成雪，还能使结晶温度上升到摄氏2至3度。早期雪炮喷射出来的雪其实是微小的冰粒，随着科学技术的发展，人工造雪已经越来越接近于自然界的雪花了。美丽的雪花 A 空气 B水 C雾化水 D冰晶 E -2C气温 F人造雪奥运会对人工造冰技术的应用要早得多。1908年伦敦奥运会花样滑冰便在人工冰场举行。1988年卡尔加里冬奥会首次建造了全封闭的室内速滑体育馆。各式各样的人工冰场在当今世界已经随处可见。人工冰场的制冷原理和家用电冰箱大同小异。我们都知道一个标准大气压下，水会在100摄氏度时沸腾并吸收大量热，而沸点为-29.8度的氟利昂在电冰箱内的蒸发器中沸腾同样会带走大量热使冰箱制冷，然后压缩机将低温低压的气态氟利昂变成高温高压蒸汽送进散热器，在这些暖气片中放出热量重新变成高压常温的液态氟利昂并开始下一轮循环。我们不妨把人工冰场看成一个敞开的、摊平的、放大的电冰箱。这里代替氟利昂的制冷剂常常是沸点为-33.4摄氏度的氨，将高压下的液态氨送到冰场水泥层的密集排管中汽化，再将带走的热量散发到外部环境，人工冰场便能地冻三尺了。人们很早就发现在积雪的道路上撒盐能加快雪的融化，试验表明，氯化钠溶液在浓度为23%的共晶点时凝固点最低，为-21.1摄氏度。而浓度为30%的氯化钙凝固点为-51.6摄氏度。因此现代人工冰场更多用低温盐水或乙二醇作载冷剂，流过水泥层网管间接制冷，取代氨的直接蒸发。电冰箱工作流程A,蒸发室 B,压缩机人工冰场剖面图 C,冷凝器实际工艺自然要复杂得多。一层摞一层的冰自下而上涂饰成白色衬底，喷绘出鲜明的场地画线和图标广告，再由8至10层薄冰紧密构成4厘米厚的运动冰面。冰球运动需要较硬的冰场，冰面温度以-5摄氏度为宜，速滑则要求冰面温度在-2至-3摄氏度之间。冰场的热负荷计算，热交换控制和日常维护管理都少不了专门的里手行家。至于那些横空出世的雪橇滑道，也可以视为拉长、卷曲、弯环、陡峻的人工冰场。1600米滑道的水泥结构从底槽到护墙布满了钢铁的末梢血管，千余吨氨水如同神奇的冷血，沿着中心机房伸出的动脉静脉循环不息，维持着这条玉龙零下11摄氏度的体温。计算机网络和几十个传感器随时监控滑道上的微小变化。由于工程浩大和造价昂贵，目前全世界仅有12条人工冰橇滑道。工人在修建雪橇滑道最令人叹服的景观要数阿联酋名城迪拜的超级室内滑雪场了。这个气温高达60摄氏度的火炉国家从来与冰雪无缘，如今却拥有了相当于三个足球场大小的冰雪世界，供千余人同时滑冰滑雪。一片冰心的设计者靠着高科技手段造就了炽热沙漠中的阿尔卑斯。迪拜冰雪世界也许我们总有一天能建造更多环球同此凉热的人工冰雪场，但作为奥运会的半边天，冬奥会大概永远只会在地球高纬度地区的冬季举行。我们的行星因为四季轮回而美丽可爱，冬奥会也是人类在倾诉对大自然的欣赏与感激。上一篇：五环旗下的马蹄声（下）标签：奥运 , 科学 , 科技之光; 个人分类: 奥运|1652 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（三十六）: songshuhui 2008-9-3 16:02; 科学松鼠会发表于2008-02-4 星期一 0:00 分类: 专辑 , 奥运 | | 摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。计算机的应用使体育训练真正从传统的经验型转为定量的科学型，大大缩短了优秀运动员脱颖而出的周期。奥运金牌之路人类自古用金子来体现不朽的价值。奥运会把黄金制成奖牌授予每一届力拔头筹的冠军，于是金牌便标记了一个时代人类自身能力的疆界。夺取奥运金牌是每个运动员毕生的追求和梦想，而奥运金牌得主照例被尊为国家和民族的英雄。这些奥运赛场上啸傲风云的体坛翘楚从哪里来？一百年间，各国体育界和科学界都在不遗余力地探索和追寻，希望解读他们成功背后的种种奥秘。我们常常怀着极大的兴趣，津津乐道于那些不胜枚举的体育世家。被称为欧文斯第二的美国田坛名将刘易斯，父母兄妹都是煊赫一时的田坛英豪；2005年墨尔本体操世锦赛上独得两金两银的美国小将柳金是前苏联体操名将柳金的女儿；日本体操巨星冢员光男的儿子冢员直也2004年登上了雅典奥运会的冠军领奖台；拳王阿里的女儿莱拉接过父亲的拳击手套，成了无往不胜的世界女拳王；威震网坛的大小威廉姆斯是并蒂连根的姐妹花；小巨人姚明的父母都曾担任中国国家篮球队的主力；还有广为人知的陈镜开举重门第，传为佳话的穆祥雄游泳世家。金牌明星宁有种乎？和其他行业相比，体育界的血统论似乎能找到更多的论据。德国科学家格拉姆说：具有卓越运动才能的亲代，其子代拥有优秀运动天赋的概率为50%，并且很有可能超越亲代。女拳王莱拉和父亲阿里种瓜得瓜，种豆得豆，便是对遗传最浅显直白的描述。地球生命靠着遗传保持子代和亲代的相似，维系物种的稳定。人类细胞核中23对染色体是遗传的载体，主要由脱氧核糖核酸即DNA构成，这些神奇的大分子双螺旋长链携带着遗传物质基因,被称为生命密码的天书。亚洲人的平均身高不及欧美，非洲某些地区黑人的红肌比例和最大耗氧量明显高于其他种族，人类的许多运动才能都是与生俱来并无可更改的，没有运动天才就没有优异成绩。众多的杰出运动员并不出于名门之家或体育望族，这并不意味着他们运动天赋的缺失。或许由于遗传的变异，或许来自隐性遗传，站在奥运领奖台上的明星无一例外都从娘胎里带来了争金夺银的本钱。基因是金牌的基本原因。德国著名运动医学家霍夫曼说，人的运动机能60%来自遗传，只有40%靠训练等外界因素制约。遗传是运动的物质基础。另一方面，也正因为遗传的保守是相对的，变异是绝对的，体育成绩才能不断突破极限。关于人类运动能力分子遗传标记的筛选和确定，已经取得了长足进展。科学选材的实质，是培养体育明星从娃娃抓起，把先天条件优越，适合某项运动的好苗子从小甄拔出来，进行一定年限的系统定向培养，让儿童时代的成材可能性转化为比赛年龄的成材现实性。准确的选材是成功的一半，如果选材押错了宝，此后的任何训练都将成为无效劳动。选材的核心是预测，这不是算命而是一整套严谨的科学程序。刚出生婴儿是无法进行预测的。只能根据一定年龄的小选手各项遗传和生理指标进行趋势外推，或通过德尔菲法进行专家评估。其中骨龄检测便是极为重要的一项指标。体操苗子在进行耐力训练人类骨骼发育的过程始于骨化中心的出现，随着骨化区域不断扩大，经过一系列规律性变化，逐渐达到成熟的骨骼形态。骨骼年龄即骨龄，比日历年龄更能客观精确反映儿童生长发育的真实水平。人的手部荟萃了长骨、短骨和圆骨，是全身骨骼状况的缩影。取下一张非惯用手的X光片，依次对13块手部骨的影像进行判读，对照标准图谱确定儿童的骨发育等级，如果骨龄符合或稍小于日历年龄，表明小选手有较大的生长潜力和发展余地。骨龄大于自然年龄2岁以上的早熟儿和提前出现骨骺真性闭合的老少年则培养前途有限。受试者可以隐瞒年龄，却无法掩盖骨龄。此外诸如指纹掌纹形态，都具有高度特异性、遗传性和稳定性，与身体某些运动素质存在对应关系，可以作为选材的参考，这和看手相测算穷通祸福的迷信完全是两码事。骨龄X光片读片位置和读骨顺序当我们为篮球场上巨人如林的阵容惊叹时，不应忘记身高与灵活的统一；体操场上身轻如燕的袖珍型明星具有最小的转动惯量，但需要兼顾动作的幅度和美感；跳高运动员蜂腰鹤膝的颀长身材有利于提高起跳前身体重心高度；举重大力士的体态概括为矮短粗宽厚，使得举铃高度降低，并能用大手牢牢抓杠、大脚建立稳定的支撑面；游泳选手则要求身高腿长、肩宽臀薄、骨盆狭窄、手脚硕大，为了在水中形成截面积最小的流线型体态并增大划水能力；射击运动员更看重沉静稳健的心理素质，反倒对视力不甚苛求。今天奥运赛场28个大项302个小项可以分为不同的项群，每项运动都需要一块独特的料。幸亏天公从来是不拘一格降人才的，世上良驹常有，只待伯乐的科学慧眼了。然而运动天赋再高，如果不能训练有素，就不过是浑金璞玉。训练的原理在于人能够对外界刺激产生适应性反应。加在运动员身上的负荷会打破身体原来的平衡，经历了适应过程建立起新的平衡后，运动素质就得到了提高。大负荷的训练往往趋近运动员的极限，即生理界限和病理界限的临界点。人一般在4岁到17岁之间对刺激最敏感，训练效应最强，最能诱发出身体的运动潜能。因此童子功常常是受用终身的。多年来，许多优秀教练员创造了等长训练、超等长训练、离心训练、间歇训练、循环训练、项群训练等方法。一个重要共识认为竞赛是最好的训练形式，这也是当今世界重大体育赛事日益频繁的原因之一。 1968年墨西哥奥运会后，高原训练受到普遍重视，在海拔2000米的低压缺氧环境下，运动员的心血管系统功能会比在平原地带经受更大考验，红血球的增多能带来载氧能力的提高。仿高原训练器的储气罐模拟高原地区稀薄的氧气比例，运动员背着这种设备训练，能收到身临高原的同等效果。美国马拉松名将萨拉萨尔1981 年 10 月在纽约马拉松赛中创造了当时的世界最好成绩 2 小时 08 分 13 秒，就得益于平时使用这种高原训练器。我们对计算机的最大误解，在于曾经把它当作一个超级算盘，此后才终于正名为电脑。计算机的应用使体育训练真正从传统的经验型转为定量的科学型，大大缩短了优秀运动员脱颖而出的周期。对训练负荷的控制不再凭主观的模糊感觉而凭客观的精确数据，使运动强度、密度、周期更加合理；技术动作的诊断不再仅靠教练的一双肉眼，而靠高速摄像机和计算机将动作捕捉的图像条分缕析，找出最细微的缺陷和不足。一个早期的经典案例是，美籍以色列科学家分析了美国铁饼运动员威尔金斯的动作，发现没有正确刹住膝关节是妨碍进步的症结并进行了有效纠正，使威尔金斯的成绩一举提高3.86米而打破了世界纪录。衣阿华大学研究中心将田坛巨星刘易斯的跳远姿势、重心轨迹和空中动作等数据输入计算机系统，让运动员都能见贤思齐，对照榜样的标准动作修正自己的各项参数。使用电子测速仪进行田径训练贝利1996年亚特兰大奥运会破百米世界纪录的速度曲线 1986年在法国举行的男子排球世界锦标赛上，美国队破天荒战胜雄霸排坛的前苏联队，其中的一大奥秘是靠计算机进行暗算。美国队在分析了苏联二传手扎伊采夫的全部录像资料后，摸清了这位灵魂人物的分球路径，并针对他的技术模式设计出训练软件，使得扎伊采夫临场上的战术意图尽在掌握之中。赛前敌情侦查是计算机的拿手好戏。体操和跳水等项目的创新动作究竟是否可行，已经不必先让运动员亲力亲为冒险尝试。由计算机进行沙盘推演，算出完成动作需要的力量、角度、高度、时间等参数，运动员就能心中有数并量力而为了。计算机仿真训练则能让运动员身处暗室却得到身临雪橇滑道等运动现场的真实体验。海拔1600米的科罗拉多训练中心也是美国奥林匹克委员会的大本营。1976年在蒙特利尔奥运会上败走麦城后，美国体育界痛定思痛，紧急出台的措施便是建立科研和训练合一的体育训练基地。1978年正式挂牌的科罗拉多中心从美国各地选精拔锐，招募了一大批著名的运动力学家、运动生理学家、医生、心理学家和计算机专家，并建造了最先进的训练设施。这里的田径跑道安装了电子传感器，先进的游泳水槽能记录运动员的各种参数，西半球最大的室内射击场使用了激光瞄准装置，体操馆、举重馆的测力台和动作捕捉仪随时左右伺候，自行车训练器将道路坡度、骑行风阻、运动员血压、心率、力量输出和热量消耗等数据自动显示。信息中心则收藏了全世界优秀选手的录像资料。兴建大型体育训练中心，这是理念的重要转变。与一线脱节的个体户式松散科研已经不能担负现代体育训练的繁难使命，整体大于部分之和，集中人财物力建成跨学科、跨领域、成龙配套的训练基地，是实践证明了的成功经验。近年来世界各地先后建立起大而全的训练中心，暗喻着体育界进一步认同了科学的崇高地位。科罗拉多训练中心雕塑科技之光记者在科罗拉多训练中心采访美国女排主教练郎平蓦然回首，百年奥运已从细浪潺湲的溪流变成波澜壮阔的大河。古希腊的神话也变成了今天全人类的神话。我们的孩子从奥运会上认识了许多美丽的国家，在奥运会这个体育联合国的五环旗下，不同文化和信仰的人们多了一条彼此走近的理由。而当科学的光芒照耀体育，明天的奥运会将开出更加灿烂的人类文明之花。上一篇：圣火不灭标签：奥运 , 科学 , 科技之光; 个人分类: 奥运|1176 次阅读|0 个评论

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