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看完热闹看门道——奥运中的科学（四）: songshuhui 2008-9-4 14:32; 科学松鼠会发表于2008-01-4 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。如今跳高运动已经进入相对稳定期，明天会不会有新的跳高技术问世还很难逆料。横杆下钻过去的跳高跳高历来被称为失败者的运动，每次都以运动员碰掉横杆而告终。但曾经打破世界纪录的跳高健儿却又都是无限风光的成功者，他们的矫健身姿和巅峰成绩永载跳高运动的史册。今天的男子世界跳高纪录已经达到2.45米，而1896年第一届奥运会时，跳高成绩仅为1.81米。带来这一变化的原因与其说是人类弹跳能力的增强，毋宁说是充分掌握力学原理，不断改进跳高技术的结果。最初的跳高都是自由式，运动员沿垂直方向跑近横竿，用随意的动作腾空跨越。1839年加拿大运动员沃夫兰跳过了1.69米，这是公认的最早世界纪录。 1864年英国选手罗伯特.柯奇创造了侧面助跑，两条腿交替过竿的跨越式技术，突破了1.70米大关,标志着古老原始跳高的终结。1895年，美国选手斯韦尼在杆上急速转体，起跳腿和摆动腿做剪绞动作，称为剪式，跳出了1.97米世界纪录并保持17年之久。直到1912年美国大学生霍拉茵首创滚式跳高突破了2米大关，这一姿势也独领风骚近20年。 1932年洛杉矶奥运会美国运动员琼.希莉跳过1.657米获冠军 1936年柏林奥运会上，美国选手阿尔布里顿用肚皮朝下、骑跨横杆的俯卧式技术飞掠2米而获得银牌，美国选手司蒂斯又在1941年以同样姿势跳出2.11米成绩，确立了俯卧式跳高在体坛上的统治地位。号称黑色火箭的美国选手托马斯，六破世界纪录、被誉为宇宙飞行员的前苏联运动员布鲁梅尔，以喀尔巴阡山的女飞鹰闻名的约兰达.巴拉斯都是俯卧式的明星人物。而中国运动员倪志钦1970年创造了2.29米的世界新纪录，民主德国运动员阿克曼1976年奥运会上获得女子冠军并在1977年首次突破2米大关，则是俯卧式跳高最后的辉煌与谢幕。 1952年赫尔辛基奥运会上十项全能冠军马赛俄斯以滚式跳高越过横杆 1964年东京奥运会上前苏联运动员布鲁梅以俯卧式跃过2.28米获男子跳高金牌福斯贝里是美国俄勒冈大学21岁的学生。在1968年墨西哥奥运会上，他用一种前所未见的背越式跳过2.24米，摘取了奥运金牌。这种背朝横杆面朝天的怪异姿势引起了满场哗然和轰动，他竟然能倒着跳？简直不可思议。谁也没有料到福斯贝里的背越式竟带来了跳高的一场革命。此后，如日中天的俯卧式和初露头角的背越式并驾齐驱了一段时间，人们对两者的优劣得失各执一端，争论不休。1972慕尼黑奥运会上，16岁的联邦德国女选手梅法特以背越式跳出1.92米成绩平世界纪录获得冠军。1980年莫斯科奥运会上，默默无闻的民主德国选手韦西克以背越式一举跳过2.36米获得金牌，并打破了苏联选手雅什琴科用俯卧式创造的世界纪录，此后国际正式比赛上已经很难看到俯卧式的身影了。体育场上物竞天择、优胜劣汰的法则和自然界一样严酷无情。可以说背越式技术从根本上再造了跳高。直到今天，全世界运动员仍然沿用着福斯贝里当年在高中田径场上发明的姿势。 1968年墨西哥奥运会上美国选手福斯贝里首创背越式跳高为什么跳高动作从跨越式、滚式、俯卧式到背越式越来越先进，越来越合理，越来越适合发挥人的潜能呢？我们不妨做一点简略的分析。在研究人体运动时，为了抓住要领，常常进行抽象和简化处理，近似地将人体看成具有质量，但可以忽略大小、形状和内部结构的质点。跳高运动员所能跳过横杆的高度和三个距离有关，那就是起跳离地一瞬间身体重心的高度，跳跃后人体重心上升的高度，以及人体重心腾起的最高点至横杆间的距离。起跳瞬间人体重心高度主要取决于运动员体型，因此跳高名将几乎无一例外的身材高挑，下肢修长。起跳姿势和摆臂、摆腿动作也能提高身体重心的位置。而从跨越式到滚式、俯卧式的跳高技术演进中，人体由臀部过竿变为腹部过竿，重心越来越低，离杆越来越近。这就意味着更经济的利用已获得的腾空高度，减少弹跳能量的浪费。跳高选手一旦离开地面处于无支撑状态，身体重心的运动轨迹将不可改变。而背越式的革命性意义在于运动员的身体形成反弓和背桥，头、肩、背、腰、臀、腿部分期分批，化整为零依次滑过横杆，完全不同于其他跳高形式中身体必须在瞬间一揽子过杆。此时运动员身体一部分处在杆上，其他部分却可以垂在杆下，使总重心的位置移出体外并始终低于横杆。难怪有人形容背越式跳高是从横杆下钻过去的的跳高了。助跑对跳高的作用不言而喻。从1900年到1912年奥运会的竞赛项目都曾设过双脚起跳的立定跳高，号称橡皮人的美国运动员尤里包揽了3届冠军，创造了1.65米的世界纪录，瑞典运动员阿尔曼此后的成绩曾达1.90米高度，但立定跳高在起跳时还必须向水平方向用力，以实现身体的斜抛运动。而助跑则提供了过竿需要的水平位移。起跳点和腾起角的掌握同样重要，如果重心最高点落在横杆前方将造成身体下落阶段碰杆, 重心最高点落在横杆后方会使身体上升阶段碰竿。背越式跳高另外一大优势是J型的弧线助跑。随着最后三、四步的曲率半径越来越小，人体起跳时便在惯性作用下沿切线飞出，获得转向横杆的角动量并自然成为水平姿势。助跑的弧线半径越短，速度越快，身体的内倾角就越大，人的重心就能够降得越低。有研究表明：身体内倾30度，重心将降低13厘米。起跳的工作距离因此而增大，有利于提高身体重心上升的幅度和加速度。特别有趣和值得一提的是，背越式跳高在起跳腿蹬伸之前，身体重心便在摆动腿的最后支撑中开始提升。因此，起跳腿的工作并非从零开始，而是接过摆动腿产生的垂直初速度进行积累和叠加。因此，不少研究者把背越式跳高助跑最后一步摆动腿的支撑蹬伸当做起跳开始，称为第一动力源；起跳腿的支撑蹬伸则是起跳的继续和结束，为第二动力源。这种双动力起跳是任何其他跳高技术都无法比拟的。百年之间，跳高设施的变化同样有许多可圈可点处。1924年巴黎奥运会上，美国选手奥斯本施展绝技，用手指捏住横杆使它不朝里边滑落。为了防止这种小动作，此后的横杆才设计成能从两边掉下。最居功厥伟的改进要算海绵垫问世了。80厘米厚的发泡橡胶新材料能确保运动员肩背朝下软着陆。没有它来取代沙坑，福斯贝里不可能产生异想天开的灵感，背越式跳高选手也一定会跌断头颈和脊梁了。如今跳高运动已经进入相对稳定期，1993年由古巴选手索托马约尔刷新的2.45米男子世界纪录无人挑战，1987年保加利亚选手科斯塔迪诺娃创造的2.09米女子世界纪录保持至今。明天会不会有新的跳高技术问世还很难逆料。1996年亚特兰大残奥会上，中国运动员候滨以一个京剧武生的折体飞越动作，创造了1.92米的世界纪录。许多田径专家和运动生物力学家都大声呼好，认为这才是人类跳高的最佳模式。结论究竟如何，我们只能把答案留给历史了。嵌入式跳高示意图上一篇：撑竿跳的变迁标签：力学 , 奥运 , 跳高 , 重心; 个人分类: 奥运|2122 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（五）: songshuhui 2008-9-4 14:32; 科学松鼠会发表于2008-01-5 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。无论标枪、铁饼、铅球、链球，牛顿力学始终主宰着赛场上的一切。而生龙活虎的投掷运动正是了解力学知识的生动课堂。力量的飞翔投掷是人类最基本的运动形式之一，标枪、铁饼、铅球、链球都是奥运会最资深的招牌项目。如果有人问，在所有体育竞赛里，哪种运动和投掷最相近。我们的回答是，跳跃！无论从运动形态还是力学机制上看，投掷和跳跃一样，都是斜抛物运动，都需要经历助跑、起跳、腾空、落地四个环节。不同之处仅仅在于，投掷中跳跃的是器械而不是人，而跳跃运动中，投掷出去的是人而不是器械。与人体高度相若的标枪原本是冷兵器中的老大。早期奥运会上的标枪成绩从70米提高到80米用了25年，标枪之国的芬兰选手叶尔维宁和尼卡宁是这一时期的领尽风骚的田坛明星。1953年，美国运动员赫尔德一举突破了80米大关。他成功的关键在于改造了标枪的空气动力学性能。一张平展光滑的纸能在空中飘扬，揉成一团的纸却会迅速坠落，说明了空气阻力和物体表面积及其展布程度的关系。赫尔德标枪的秘密在于把传统的实心标枪做成空心，对于同样按800克规定重量制成的标枪，表面积随之增大，由此带来了标枪在空气中滑翔能力的增强。 1984年前民主德国选手霍恩创标枪投掷104.80米纪录我们把标枪出手后质心的运动方向和地面的夹角称为投掷角，标枪纵轴和地面的夹角称为仰角，标枪纵轴和气流阻力方向的夹角就是攻角，而空气阻力合力的作用点就是标枪的压力中心。当攻角为正值时，空气在枪杆后侧出现涡流，压差阻力的垂直分量托举标枪上升，从而获得更多在空中飞行的时间。此后出现的金属材质又减少了标枪的振颤。1984年7月20日在柏林举行的一次比赛中，前东德选手霍恩投出的标枪在飞过90米距离行将下落时又冉冉升起，最后以104.80米的惊人成绩创造了全新的世界纪录，以至于田径场记分牌无法显示。国际田联官员们的忧虑远远大于喜悦，因为这样的突破也同时突破了看台上观众的安全底线，全世界的体育场不可能因此而扩建。加上滑翔标枪大多为水平落地，成绩不易确定，被田径界戏称为放飞鸡鸭。1986年，国际田联决定将男子标枪的重心前移4厘米，1999年又将女子标枪重心前移3厘米，和标枪的压力中心拉开距离，从而确保对标枪施加头朝下的力矩。这一举措不仅削弱了标枪的滑翔性能，使它的飞行轨迹更接近于抛物线，还确保了枪尖着地的优美姿态。而霍恩创造的世界纪录也从此成为空前绝后的顶峰。不过近年来随着标枪投掷技术的提高，新的世界纪录已经再次向百米逼近，1996年5月，捷克运动员泽勒兹尼投出了98.48米的成绩。不知标枪的设计会不会考虑新的对策。标枪的投掷距离取决于出手速度、投掷角度和初始攻角，其中以出手速度最为重要，它和投掷距离成平方关系。从单跳步、后交叉到前交叉，特别是塑胶跑道的出现，都让标枪在人体助跑中获得越来越大的预先速度，叠加到标枪的飞行中。鞭打效应是一种神奇的物理现象。赶车人抖动鞭子，能让鞭梢达到超音速而发出劈啪的鞭花声。这是由于质量较大的手臂和鞭杆突然煞住，把动量矩传递到质量较小的鞭梢，而动量矩必须保持守恒，结果带来了鞭梢巨大的速度。标枪运动员超越器械动作的发力瞬间身体宛如满弓，动能从质量较大的臀部和躯干传递到上臂、前臂和手腕，各个环节由近及远依次加速和制动，如同鞭杆将动量矩传到鞭梢，能使处于末端环节的手获得极大的速度。这时标枪便该出手时就出手了。拨枪带来的纵轴旋转能确保标枪飞行的稳定。古希腊雕塑家米隆的杰作掷铁饼者不仅凝聚了永恒的力和美，还让18岁的美国青年加勒特当成示范动作进行模仿，并一举夺得了1896年首届奥运会铁饼冠军，不过他当时的成绩仅为29.15米。1986年，前东德选手舒尔特已经能投出74.08米，可见铁饼技术发展变化之大。铁饼和标枪一样，都对空气动力非常敏感，铁饼甚至更像一个飞碟。当铁饼的攻角为正值时，会在空气中受到升力而延长飞行时间。所以微弱的逆风反而有利于铁饼成绩的提高。但攻角大于30度时则可能引起翻转。从俯视角度看，右手投出的铁饼顺时针旋转，以保持飞行的稳定性。铁饼的金属边框使转动惯量分布远离中心，有利于同等角速度下获得最大角动量而更好保持陀螺效应。从侧向华尔兹式投掷到背向连贯旋转技术，铁饼的跳远成绩飞跃得益于助跑水平提高。2.5米直径的投掷圈这时变成了一个回旋加速器，运动员靠着旋转将用力的工作距离大大加长。由于人体不断超越铁饼充分扭紧，旋转角速度持续加快，带来铁饼在大半径弧线上高速运行，直至最后爆发力完成鞭打效应，让铁饼沿切线飞往投掷方向。比起标枪和铁饼，铅球由于质量大，体积小，空气的阻力基本可以忽略不计，相对而言抛掷角度的最佳选择就更为重要。斜抛物体轨迹方程告诉我们，抛射角45度时水平射程最远，但这是对落点和起抛点在同一水平面的描述。而体育运动中许多抛体运动的起、落点都是高下互见的。足球中的球门球，田径中的跨栏，抛点和落点等高，投篮和跳马落点高于抛点，而跳水、排球发球则抛点高于落点。铅球也属于高抛低落，出手点和落地点之间有一个地顶角。因此投掷角一般都在37度左右。人们常常陷入的误区是，在假设出手速度恒定的条件下探究最佳投掷角度，却往往忽略了对于特定的运动员，什么投掷角度才有利于发挥最大出手速度。铅球投掷角应小于45，为地顶角推铅球无疑是绝对力量的比试，也是技术水准的较量。早期简单的垫步式之后，半背向滑步技术风行了整整30年,美国运动员弗克斯堪称这一阶段的代表人物，他在1950年创造了17.95米的世界纪录。背向滑步技术的出现开创了铅球运动的新时期，美国运动员马特森将世界纪录推进到21.78米。1972年慕尼黑奥运会上出现了旋转式推铅球技术，著名美国选手巴恩斯弃旧图新，改学旋转式后成绩陡增，以23.12米的成绩创造的世界纪录并保持至今。其实铅球技术的一切改进都万变不离其宗，那就是加大出手前的做功距离，提高最后发力时的移动速度。今天的链球已经找不到它抡大锤的原始形态了，但力量和速度的激荡依然八面威风。链球和铅球的重量同为7.257公斤，前苏联运动员塞迪克把它投到86.74米之遥，比铅球世界纪录远三倍半还多。链球的旋转半径越大线速度越快，所以手臂长的大个子更占优势。还应该了解的一个数据是，链球和人之间的最大张力可超过600公斤，因此身体必需要有一定的倾斜角度才能在旋转中保持平衡，我们与其说链球围绕着人体转，毋宁说链球和人体一起围绕着共同的重心转，就像月亮和地球都围绕地月中心运行一样。而链球出手前的速度可达到每小时100公里，这是靠手臂和重力共同作用，通过4周旋转的积累，才使链球的速度一圈更比一圈快。人类登月的飞船首先通过围绕地球旋转多圈进行加速，其原理和投掷链球并无二致。嫦娥工程火箭发射示意图人人都知道抛物线，而最名副其实的抛物运动就是投掷。无论标枪、铁饼、铅球、链球，牛顿力学始终主宰着赛场上的一切。而生龙活虎的投掷运动正是了解力学知识的生动课堂。上一篇：横杆下钻过去的跳高标签：奥运 , 投掷 , 标枪 , 科学 , 科技之光 , 铅球; 个人分类: 奥运|1739 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（六）: songshuhui 2008-9-4 14:31; 科学松鼠会发表于2008-01-6 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。人的身体虽然活力喷薄、变幻多姿，但却和任何物体一样，有一个看不见摸不着而确实存在的重心，并且在许多运动项目里都需要尽量保持重心的匀速直线性。让重心一路平安中国姑娘王军霞在1996年亚特兰大奥运会上以绝对优势夺得女子5000米冠军，历史的画卷里留下了她身披国旗绕场致意的灿烂笑容。当不止一个，而是一批籍籍无名的马家军新秀突然从世界田坛冒升出来，曾经令各国好手措手不及。这阵中国旋风一度打乱了世界长跑格局。王军霞却由此获得了东方神鹿的美称。如果不了解田径，也许会认为中长跑是最单调和枯燥的运动了。蹬伸、腾空、落地，周期性动作千百次循环往复。然而正因为是一成不变动作的大批量复制，因此任何微小的缺陷都会带来巨大的积累效应。国际田径界把王军霞称为东方神鹿不仅具有审美意义，同时具有科学内涵，体现了对一种合理技术的简洁概括和形象描述。我们对身体重心的概念都不陌生，处于站立姿态时，人的重心约在第三骶骨前缘，女性稍低于男性。它是身体各部分所受重力的合力作用点。体位的变化会带来重心的移动，有时能移出体外。奔跑也可以看成一种波，它的波长和频率就是步幅和步频，中长跑的距离就是身体重心沿着波浪形曲线走过的路程。两点之间直线最短，显而易见，重心起伏和波动越小，人体实际走过的距离越短，所做的功也越少。早期的中长跑由于蹬地角度过大，垂直分力过多，带来重心上升过高，造成体能不必要的消耗和浪费。有人形象地把这种跳跃动作称为袋鼠式跑。而另一种阔步迈进的姿势被称为鸵鸟式跑，也容易因为着地角小、制动反作用力大带来身体重心的速度不匀。而积极增加步频，适当控制步幅，行进稳健放松，则被称为梅花鹿式跑。当今大部分非洲黑人选手都采用这种姿势。王军霞之所以被誉为东方神鹿，正因为她将步频和步长进行最佳搭配，达到了梅花鹿姿势的完美境界。此外，头部保持稳定不东张西望，身体力求平直不左右摇晃，髋部与肩的摆动协调自然，都是确保身体重心轨迹直线性和匀速性的基本功。应该力求身体各个环节重心的速度与身体总重心速度方向接近一致。中长跑的任何多余的动作都将会计入成本。竞走是单脚支撑和双脚支撑互相交替的运动，它和跑的区别在于不能出现可见的腾空, 支撑腿从着地到垂直必须伸直膝关节。竞走独特的扭秧歌姿势如同水上漂一样轻盈优美，很大程度上也是为了保持身体重心的直线性。优秀的选手步态平稳，从脚后跟到脚趾尖进行全脚掌滚动，落地的足迹趋于一条直线。除了充分摆臂，自然扭腰，竞走的一大特点是骨盆沿身体纵轴大幅度转动以增加步长并平稳重心。在每个复步中，一侧髋关节的轨迹是一个下降的曲线，另一侧髋关节是一个上升的曲线，髋关节活动范围在5.5至6.5厘米之间，因此髋部窄小的运动员更加灵活。优秀选手在比赛中身体总重心起伏在3至6厘米之间，速度越快重心越容易平稳。早期奥运会跨栏动作保持身体重心的直线性同样是跨栏的黄金法则。早期奥运会上的跨栏基本都是自由式跳栏，颇有当年牧羊人越过栅栏追逐豺狼的遗风。这种上体挺直，曲腿过栏的动作不但身体重心起伏大，体能浪费多，而且两脚几乎同时落地，要稍事停顿才能继续跑动。1896年首届奥运会男子110米栏的成绩仅为17.6秒，不过当时跨栏技术的落后很大程度要归咎于栏架的原始和危险。那些笨重的木架一个接一个深深埋在跑道上，选手鼓勇而来，为了不至被绊倒后人仰马翻并取消成绩，只敢在离栏很近的距离起跳并留下足够的高度余量。与其说选手们是跨越跑道上的障碍，毋宁说是跨越心理上的障碍。不让栏架在跑道上落地生根，是跨栏技术的一大解放。将活动栏架的底座从倒T型改进为L型，跨栏便从此不再是危险动作。今天跑道上的栏架遇到3公斤的力便会一触即倒。竞赛规则的改变允许碰倒栏架而不影响成绩，更激发了运动员的创造精神，推动了跨栏技术的突飞猛进。 1936年柏林奥运会上，美国运动员汤斯以14.2秒获110米栏冠军，与平跑速度相差仅2秒。1959年，联邦德国运动员劳尔创造了13.2秒的110米栏世界纪录并保持了20年之久。美国田坛名将摩西1983年登上400米跨栏王宝座后，所创造的47.02秒记录整整10年无人挑战，跨栏动作也日渐定型和成熟。当运动员打开双腿擦栏而过时，上体加大前倾的折刀动作有效平抑了重心上升，两臂大幅度摆动抵消身体旋转和维持平衡，两腿快速剪绞则使落地动作自然连贯。优秀选手过栏时，身体重心运动轨迹不会高过栏架30至40厘米，很好保持着低、平、直的特点。 2004年雅典奥运会上刘翔以12秒91的成绩平男子110米跨栏世界纪录今天的跨栏概念已经全面向跑栏转变，运动员不再为跨栏而跑，只是将栏架视为短跑中的障碍，跨栏不过是跑一大步罢了。塔当跑道的问世，使过栏跑和栏间跑的速度更加接近，身材日益修长的运动员进一步减少了栏上栏下的重心落差。远起跨、快过栏、近落地，这些要领都是为了最大限度保持身体重心的直线性和匀速性，中国飞人刘翔的跨栏技术堪称当代典范。有个小小秘诀可以一试，要看跨栏运动员是否优秀吗？不妨看他在跨栏过程中头部的高度能否始终保持不变。三级跳远是人类速度和力量相结合的极致。运动员如百米冲刺般踏上跳板腾身而起，单脚砸向坚实的地面后承受着20倍于体重的负荷并在0.2秒内再次弹起，紧接着是第三次刹那间的硬着陆和急跳跃。身体经过三次水平抛射，落在三条连续抛物线的另一端。三级跳远技术的演进同样和身体重心有着密切关系。二十世纪50年代，以苏联运动员为代表的高跳型也称力量型技术充分发扬第一跳的优势，将头一个抛物线起得又高又远。多次打破世界纪录的谢尔巴耶夫、萨涅耶夫就是高跳型的杰出人物。波兰选手施密特曾以17.03米的成绩刷新世界纪录，他所代表的技术流派是平跳型，前两跳的抛物线低而平，但第三跳却后劲十足而扭亏为盈。两种技术的优劣得失曾经引起旷日持久的争论。1995年，号称跨世纪飞鸟的英国选手爱德华兹在平跳型基础上发展出跑跳型技术，主要靠第三跳得分，创下了18.29米的世界纪录。爱德华兹起跳前的速度达每秒11.9米，比卡尔.刘易斯创百米世界纪录时还快。美国学者詹姆斯的理论认为，在总成绩的百分比中，如果第一跳比第三跳的距离高２个百分点以上，则可定义为单足型;第一跳和第三跳距离之差在２个百分点以内，则为平衡型;第三跳比第一跳距离高２个百分点以上便是跳跃型。尽管技术风格可以因人而异，但国际田径界主流对不同跳法的利弊已经形成了高度共识。单足型技术之所以被基本淘汰，除了因为第一跳对身体的高远抛射给下肢带来不能承受之重的冲击力，还因为重心的大幅度起落严重损失了助跑的水平速度，使最后一跳成了强弩之末。而平衡型和跳跃型技术则最大程度减少了身体重心轨迹的波动，能将足够的水平速度保持到最后一跳，提高了对助跑的利用率。上个世纪20年代后，跳远选手创造了空中走步动作。这种离开地面的四肢运动并不能改变身体重心的轨迹，但却有利于保持身体平衡。跳远运动员的助跑速度越快，腾起角就会越小，最佳值一般在20度左右。落地时的重心要低于起跳时的重心，以延长空中停留时间。由于起跳时的刹车作用，往往会形成身体在空中以重心为轴向前旋转的力矩，不仅使人在沙坑里踉跄摔倒，还会造成双脚落点比重心近而降低成绩。运动员起跳后在空中的走步与摆臂是一种补偿动作，如同人在高处倾倒时会本能旋转手臂维持平衡一样，对身体的扭转力矩进行纠正，落地时便能使双脚恰当地置于重心投影之前。至于美国著名教练尼尔森20世纪70年代首创的空翻式跳远，能提高身体重心的抛起角，但由于疑似危险动作而被国际田联禁止。人的身体虽然活力喷薄、变幻多姿，但却和任何物体一样，有一个看不见摸不着而确实存在的重心，并且在许多运动项目里都需要尽量保持重心的匀速直线性。运动员只有关照好自己的重心，才能在竞赛中平步青云。上一篇：力量的飞翔标签：奥运 , 科学 , 重心; 个人分类: 奥运|1441 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（七）: songshuhui 2008-9-4 14:31; 科学松鼠会发表于2008-01-7 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。和当年的前辈们相比，今天运动员的双脚已经踏在完全不同的地面上了。跑道春秋 1996年亚特兰大奥运会是现代奥运会的百年华诞。男子百米竞赛中，金牌得主贝利以9.84秒的成绩刷新世界纪录。比起100年前雅典奥运会的百米记录12秒，相当于把当时的冠军汤姆.伯克拉下20多米！田径作为奥运会的主体项目，百年来成绩大幅度提高的原因除了技术动作的日益合理，跑鞋、运动服的不断改进，还有一个重要的条件，那便是跑道的巨大变革。和当年的前辈们相比，今天运动员的双脚已经踏在完全不同的地面上了。百年间男子百米成绩提高情况 1896年雅典奥运会帕纳辛奈科体育场的U形跑道为滚压后的泥土层，无论表面平整度和软硬均匀度都使运动员的技术发挥受到限制。1900年巴黎奥运会的跑道是林场中的一片草地，脚下的绵软和滑动使这种草上飞很难创造出好成绩。1904年圣路易奥运会的华盛顿大学体育场铺设了第一个煤渣跑道，透水性和摩擦力均得到改善。此后一直到60年代，跑道材料基本沿袭了煤渣与泥沙、石灰混合的配方，但疏松的地面影响后蹬的反弹力，而且一场激烈比赛后，跑道往往被践踏得千疮百孔、如同犁过的田垄。最不堪遇到雨天，运动员简直成了玩泥巴的孩子。平整和维护跑道历来是体育场管理工作的沉重劳动。 1948年伦敦奥运会田径跑道人类的百米成绩第一次跑进10秒，是在1968年墨西哥奥运会上。固然高原空气的稀薄有利于提高成绩，但吉姆.海因斯创造出9.95秒世界纪录的最重要原因，却是大学城综合体育场首次铺设的塑胶跑道。从此奥运田径史发生了改天换地的变化。塑胶跑道也称塔当跑道，由聚氨酯材料制成。1937年德国化学家拜尔发现异氰酸酯与氢的聚合反应，从此将聚氨酯引进了现代化学工业。这种合成材料的许多性能优于天然橡胶和塑料，无论强力、硬度、弹性的可调范围都更宽泛，一时成为建筑界的新宠。1961年，美国明尼苏达的3M公司铺设了第一条200米聚氨酯跑道，不过那是为赛马使用的。1963年聚氨酯跑道开始用于田径比赛并立刻引起各国重视，国际奥委会很快正式承认了这一新生事物，墨西哥奥运会之后，塑胶跑道便成为国际田径比赛必备的基本设施了。塑胶跑道结构和正贴胶海绵乒乓球拍相似塑胶跑道的厚度约13厘米，结构很像一块正胶海绵乒乓球拍。跑道平坦坚实的地基如同乒乓球拍的底版，中间的塑胶层如同海绵，表面的摩擦层则相当于乒乓球拍上的胶粒。运动员奔跑在这种大面积的海绵拍上，脚步落地时能有效减少震荡，向后蹬伸时能获得地面形变势能所回授的推力，因此大大增加了奔跑的效率。跑道表面的坚牢、平坦、均匀也有利于定型化技术动作的充分发挥，这便是除了短跑、跨栏、中长跑外，所有和助跑有关的项目如跳高、跳远、标枪等成绩全都因塑胶跑道的问世而水涨船高的原因。此外，塑胶跑道不论冬夏和晴雨都本性不改的全天候优势，耐磨、耐油、耐辐射的可贵品质，令人悦目赏心、精神振奋的鲜艳色彩，运动员不慎摔倒后的安全程度，都是任何其他跑道所不能比拟的。今天塑胶跑道的生产和铺设技术不断改进，全塑型、混合型、颗粒型、卷材型百花齐放、争荣并茂，已经从大型体育场馆一直铺设到了小学校的操场。 1928年阿姆斯特丹奥运会运动员挖起跑穴田坛巨星欧文斯在1936年柏林奥运会百米赛中创造10.3秒的世界纪录时，是从自己挖掘的起跑穴里腾跃而出的。当年的运动员比赛前人手一把铁铲，在起跑处的煤渣地上匆忙挖好两个坑，以便安顿自己的双脚，于是挖坑水平也成了田径技术的组成部分。起跑穴不仅形貌参差，而且脚掌塞进坑里后处于地平面以下，起跑时很容易刮住脚尖影响成绩。1927年美国教练布雷斯纳汉发明起跑器，直到1937年才被国际田联认可。今天的起跑器不但牢固舒适，而且便于调节距离和角度，运动员蹲踞其上，身体如同蓄势待发的压缩弹簧，能在最短时间里摆脱静止状态获得最大初速度。起跑器上和发令枪联动的传感装置计时精度达到了千分之一秒。打从1920年安特卫普奥运会使用第一个周长为400米的跑道后，这种两头圆，中间直的曲别针模式便延续下来。运动员在直道上奔跑时，由于方向不变，每次蹬腿所用的力都对原来速度有叠加效果，能达到自身速度的最大值，身体也只须向前方倾斜。弯道上奔跑的轨迹是一个圆弧，速度的方向在不断变化，事实上，身体每次腾空后都会沿切线方向飞出，摆动腿落地后才能再度改变方向，这种由许多线段连成的弧颇似一条割圆的折线。向心加速度的产生必须有向心力的作用，运动员跑弯道的向心力来自身体内倾时所受重力与支撑力的合力，它和速度的方向垂直并指向圆心，维持着和惯性离心力的动态平衡。向心力与速度的平方成正比，与圆弧的曲率半径成反比，因此跑得越快，拐得越急，身体倾斜角度就越大，也越会影响奔跑速度的发挥。首届雅典奥运会细长的U形跑道就因为曲线太陡而不利于竞赛。需要了解的是，身体在弯道上的内倾是指整个身体轴线的角度，而并不能靠着上体向内歪扭。今天标准的环形跑道修建时要求有向内千分之一的倾斜度，先进的室内田径场还出现液压装置调节弯道的坡度，都是为了更好适应跑弯道时身体的姿态。运动员跑弯道时身体内倾弯道起跑应对准切点方向百年间，各国专家做过多种试验和比较，创造出蓝曲式、三圆心式，尖圆式等跑道，目前国际上公认半圆式为最好，标准的400米跑道有3种规格，内突沿半径分别为36米、36.5米和37.898米。半径小的跑道曲率大，但直道部分所占的比例也大，可谓失之东隅，收之桑榆了。弯道上起跑时，起跑器都安装在跑道右侧，中心位置正对弯道切点方向，便是为了给运动员提供起跑后的最大直线距离。 2004年雅典奥运会女子4100米接力赛中，实力强大的美国队因跑第三棒的威廉姆斯起跑过快,使第二棒琼斯追赶不上而传棒失败。接力赛是短跑中必须靠集体力量和团队精神取胜的项目，具有极高的技术含量。两辆并行的汽车如果速度相同，上面乘坐的人便能够轻易的互相传递东西，每秒10多公里运行的宇宙飞行器只要彼此相对速度为零就可以在太空对接，田径场上接力赛的每条跑道上都划出了20米的接力区，前面还有5米的预跑区，接力赛的基本要领应该是，传棒运动员跑速不下降而接棒运动员已经接近发挥出最高速度时，两人在接力区内迅速、准确、平稳地完成传接动作。这就要求接棒运动员参照标志线不失时机地起跑，当双方距离逐渐缩短，彼此都处于最高速度又达到同步速度的瞬间一蹴而就。此时两位运动员前后应相距大约1.5米，靠着身高臂长与配合默契赢得1.5至2米的获益距离，所谓获益距离指的是传接棒动作时身体重心相隔的最大水平距离，3个接力区累计起来相当于整个团队少跑5至6米，这对于百分之一秒决胜负的世界级大赛，其意义不言自明。一个让人们熟视无睹却又难以回答的现象是，为什么我们在田径场上总是沿着逆时针方向跑？诚然这是国际田联做出的规定，但事实证明逆时针跑确实更加自然并且成绩胜过顺时针跑。有人说因为人的心脏靠左，有人说因为右腿比左腿更占优势，还有人认为我们的观看和阅读习惯是从左到右，甚至有人拿宏观尺度上地球自转产生的科里奥利力来解释，显然都牵强附会不能令人信服。且不说滑冰、自行车和纳斯卡汽车赛，就说日常生活中游艺场的旋转木马和宾馆的旋转门，乃至农村推碾拉磨，家里打扑克搓麻将也不约而同按逆时针方向运动，而在使用卷笔刀和打蛋器时却又习惯于顺时针方向。我们不禁陷入辽阔的遐想，从氨基酸的手性到牵牛花的生长，从龙卷风的发生到行星的自转和公转，旋转是大自然万事万物基本的运动方式，至于运动员为什么按逆时针方向奔跑，我们只能老老实实回答不知道，高傲的现代科学也许为回答不了如此简单的问题而尴尬，但强作解人并非科学的态度。也许这一现象根本没有什么道理，也许毕竟应该有点道理，也许真正原因深藏在我们进化的历史中？看来这个问题只能立此存照并有待继续思考和探究了。上一篇：让重心一路平安标签：奥运 , 科技之光 , 起跑器 , 跑道; 个人分类: 奥运|1379 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（八）: songshuhui 2008-9-4 14:28; 科学松鼠会发表于2008-01-8 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。奥运百年间，我们的无限心血和亿万财富都是为了对付空气而花费的。运动在空气海洋底部人类百米成绩第一次突破10秒大关是在1968年墨西哥奥运会上，美国运动员吉姆.海因斯以9秒95的成绩刷新了世界纪录。但不少人对这次海拔2240米处的高原盛会持保留态度，认为墨西哥城稀薄的空气减少了对速度型运动的阻力。当时的国际奥委会主席布伦.戴奇说了一句很经典的话：奥运会属于全世界人民，而不仅仅属于海平面地区。不过，墨西哥赛场跑道上的空气密度确实比海平面地区要低将近30%。人们往往认为空气阻力可以忽略不计，因为它们看上去完全空空如也。其实只要在奔驰的汽车上将手伸出窗外，就能立刻领略到空气的存在。摄氏零度的海平面上，每立方米空气重1,293克，随着海拔升高，空气柱的密度不断递减。我们的一切运动实际都是在空气海洋的底部进行。如同跳到水中会被打湿一样，我们在空气海洋中也会被打湿，浑身上下的表面附着一层薄薄的空气。当奔跑的运动员把空气从前面的位置推开，身体周围的环流就会在身后形成低压的涡流区，这种压差阻力和奔跑速度的平方成正比。此外需要克服的，便是空气和运动员身体表面产生的摩擦阻力了。 1896年第一届雅典奥运会上，各国选手穿着五花八门的日常服装，跑起来不仅碍手碍脚而且兜风灌气，大大增加了空气阻力。1904年圣路易奥运会的马拉松比赛出发前，人们才七手八脚将古巴运动员费力克斯.卡瓦加的袖子和裤腿剪掉。早期奥运会成绩羞涩，很大程度归咎于选手们的一身行头。 1900年巴黎奥运会女子赛跑此后奥运会田径场上，宽袍大袖迎风飘扬的装束很难看到了。运动服日益紧凑贴身，背心短裤连成一体，这种对选手的包装能削平躯体表面的凸凹，抹圆四肢连接处的棱角，对人体进行局部的流线处理。加上不用一针一线的热接合技术，使衣服成为天衣无缝的整体，甚至消除了最微小的褶皱，使空气的阻力大为减少。2000年悉尼奥运会的跑道上，澳大利亚土著女选手弗里曼身穿的奇装异服成为全世界目光的焦点，这种用五种不同纹理走向的纤维材料制成的快衣把弗里曼从头到脚全包了，她在第二层皮肤中体验到一种切入空气的感觉，一溜烟夺取了400米比赛金牌。 2000年悉尼奥运会女子400米赛运动服面料和质地同样在悄然变化。从棉、麻、丝到合成纤维，都曾成为不同运动服的上选。柔韧而富有弹性的莱卡则不仅具有良好的空气动力学性能，还能对肢体起到支护作用而防止肌肉颤动。最新的运动服在特殊区域还刻意处理成细密的纹理和凹陷，如同高尔夫球上的麻子脸那样能在运动中延迟空气边界层分离点而减少阻力。至于自行车服、溜冰服、滑雪服选用的各种镀铝、镀钛材料，通体闪耀着金属的光泽，简直如高级轿车的表面一般。厂商和研究人员在金钱上成千上万的投入，往往只是为了时间上百分之一秒的产出。自行车运动的头盔不仅为了防止跌伤，更为了降低骑行中的空气阻力。也不仅为了避免长发飘飘，而是以头盔的水滴状外形取代运动员头部的自然外形，让高速前进中的涡流效应最小化。试验显示，戴上头盔的风阻明显小于剃光头的风阻。令人泄气的是，人类在空气中运动的体型不仅不能和鸟类相比，甚至不能和直立行走之前相比。因为空气阻力和迎风面的截面积成正比。不过在有些运动中，我们却可以把体位大致恢复到四肢行走时的状况。自行车、滑冰、滑雪等项目中运动员躬下身体成90度，背部保持和地面平行，便已经大致找回了人类直立行走前奔跑时对风的感觉。自行车运动员在风洞中测试风洞的问世已经有一百三十多年了。莱特兄弟1903年发明第一架飞机便有风洞的功劳。根据运动的相对性和相似性原理，物体在静止的空气中运动所受到的各种空气动力作用，与物体不动而空气以同样的速度反向吹来效果相同。于是人们便在一个固定管道内制造出可控制的气流，模拟物体在空气中运动时周围的流场，通过传感器测出它在风中所受的阻力、升力、压力等参数。现代体育运动广泛使用了风洞这种航空试验设施。从科研机构到大牌厂家，都通过各种风洞试验来改进人体姿势和器材形态，寻找运动服、运动鞋生产的最佳工艺与材质。 1964年被因斯布鲁克冬奥会列入正式比赛项目的无舵雪橇大约是人类在空气中最快的运动了，选手们仰面朝天、两脚朝前躺在金属和玻璃钢制成的雪橇上，沿着长约1.5公里，落差120米的冰道高速滑下。国际大赛中获得过25块金牌的美国选手托尼.班休夫创造出了每小时140公里的吉尼斯纪录，这是一个在高速公路驾车也要吃罚单的速度。急骤的弯道上，巨大的离心力能让运动员承受7个重力加速度的压力。平躺的流线型姿势，按照空气动力学原理设计的冰橇、服装、手套、头盔、面罩、靴子等，共同成就了这一极限速度。而奥林匹克各项运动中最接近于飞翔的比赛要数跳台滑雪。这是从1924年法国夏蒙尼首届冬奥会延续至今的招牌项目。选手们脚踏滑雪板，沿着长100米、倾斜角40度的助跳滑道获得每小时100公里的高速，然后利用惯性力和弹跳力纵身一跃，从90或120米级跳台的悬崖飞向空中，再沿抛物线空降到下面随势延伸的雪坡。2002年盐湖城冬奥会上，瑞士选手西蒙.阿曼在空中飞了130米远，2005年斯洛文尼亚举行的世界杯比赛中，挪威选手罗摩艾伦创造了飞行跳雪239米的世界最高纪录。比当年莱特兄弟的飞机第一次飞行距离多5倍。跳台滑雪的英姿这是最优美而华丽的空中姿态，早期的跳台滑雪空中动作让身体和滑雪板尽量平行，双臂伸向前方，后来改进为双臂向后靠紧臀部，使空气阻力进一步减少。此时跳雪运动员的身体已经成了一个飞行器，从侧面看去，酷似一架飞机机翼的剖面图。气流在平直的滑雪板下流速较低，在头肩隆起的人体背部流速较高，从而形成向上的升力，为跳得更远赢得了呆在空中的更多时间。1985年，瑞典选手简.波卡罗夫首创了将两只平行的滑雪板变为V字形，也就是一个外八字。使飞行距离提高了10%并成为跳雪的标准动作。虽然两只V字滑雪板的空气阻力大于平行的滑雪板，但它们因为错开了身体的投影位置而增加了升力。恰如其分的升阻比是流体力学常常需要面临和回答的问题。对于看不见、摸不着、无色无臭的空气，运动员最知道它的分量。奥运百年间，我们的无限心血和亿万财富都是为了对付空气而花费的。要想提高运动成绩，那就必须了解空气，并不断学会同空气打交道。上一篇：跑道春秋标签：奥运 , 科技之光 , 空气阻力; 个人分类: 奥运|1362 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（九）: songshuhui 2008-9-4 14:25; 科学松鼠会发表于2008-01-9 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。马拉松的深刻隐喻本来在于克服距离对信息的障碍，公元前490前的希腊信使菲迪皮德斯为了跑到雅典传递我们胜利了这一简短信息，付出了生命的代价。漫长的奔跑今天马拉松比赛的宏大规模、壮阔气势和热烈场面都是令人难忘的。当人山人海的参赛者在万众瞩目下踏上赛程，整个城市都会沉醉在节日的亢奋与欢乐中。随着马拉松运动日益风靡全球，我们的世界更加充满了生命的活力。马拉松又是一项令人肃然起敬的运动，它承载了厚重的历史、文化和哲学内涵，也最强烈、最集中地体现了奥林匹克精神。第一位马拉松冠军斯皮里东淡泊名利的草根本色，人类火车头扎托贝克的传奇故事，赤脚大仙阿贝贝的潇洒身影，都为世人所津津乐道。芬兰长跑名将鲁米不但在祖国丹麦的土地上赢得一尊铜像，而且在广袤的天空中赢得了一颗小行星的命名。我们在欢声雷动中迎接马拉松英雄凯旋时，还应该把敬意献给那些在赛场上倒下的拼搏者。21岁的葡萄牙运动员拉萨罗在1912年的斯德哥尔摩奥运会上，成为继菲迪皮德斯后死于马拉松跑的第二人。1948年伦敦奥运会上，比利时运动员热利在第一个穿过体育场的大门后踉跄欲跌，拼出最后气力才跑到近在咫尺的终点赢得铜牌；1954年温哥华英联邦运动会上，吉姆.彼德斯在离终点不到200米处倒地而痛失金牌，1984年洛杉矶奥运会上，瑞典女选手安德森跌跌撞撞进入体育场，经过5分钟极其痛苦的挣扎跑完最后一圈而仆倒。这些令人揪心的场面也同样长存马拉松史册，其阴影挥之不去。马拉松的确是对体能、耐力与意志的严峻考验。和短跑、跳跃、投掷等无氧运动不同，马拉松的供能方式基本属有氧运动。这里不妨重温一下有氧和无氧运动的差异。从细菌到人类进行体内的能量交换时，都无法直接利用食物中的能。地球上一切生命形式的能量流通必须要有中介，这个硬通货便是三磷酸腺苷，简称ATP，它对于生命的重要性仅次于DNA。我们摄取食物中的淀粉、脂肪和蛋白质在称为细胞熔炉的线粒体中分解后，产生的能量一部分用来维持体温，一部分生成ATP，将化学能储存在它高能级的磷酸键上。运动时肌肉中的ATP分解为二磷酸腺苷和肌酸，同时释放能量供肌肉收缩。但肌肉中只储存微量的ATP，要维持运动就必须及时加以补充。再生ATP最快捷的途径，便是磷酸肌酸和二磷酸腺苷进行合成，但大约10秒钟后，肌肉中库存的磷酸肌酸便消耗净尽。接下来由肌肉中的糖原通过糖酵解制造ATP，这是一个在中等长度时间输出中等水平功率的供能过程，大约可维持2分钟。上述的磷酸原系统和乳酸能系统都不需要氧气的参与，因此叫无氧运动。此后才能激活呼吸与循环系统，用空气中的氧和身体内脂肪燃烧来高效率供应ATP。剧烈的力竭运动中，譬如举重和百米跑，氧气根本来不及登场，过程便已经结束，肌肉只能靠无氧运动提供ATP。而马拉松需要在2个多小时跑完3万多步，消耗2500多卡热量，是典型的有氧运动。因此，马拉松和长跑运动员的最大摄氧量、心脏输出功率、血液对氧的携带能力就成了决定性的条件。而人类的肌纤维分为速度快的白肌和耐力强的红肌，它们的比例与生俱来并和种族有关。白肌中促进磷酸转换和糖酵解的酶比红肌多2至3倍，神经元传导速度也快得多；反之，红肌中氧化酶活性更高，毛细血管更丰富，线粒体和肌红蛋白也更多。因此白肌占优势的运动员擅长百米短跑类爆发力的无氧运动，而红肌占优势的运动员更适合马拉松一类持久力的有氧运动。 1968年第19届奥运会举办地墨西哥城海拔2240米，稀薄空气中的含氧量比海平面少百分之三十，这对无氧运动非但没有影响，反倒成了短跑、跳跃、举重成绩大丰收的天赐良机，共有34项世界纪录和38项奥运纪录被刷新。海因斯百米赛首次突破10秒大关和比蒙的世纪一跳都明显得益于较小的空气阻力和较弱的地球引力。而有氧运动的耐力项目就明显不利了，稀薄的空气完全是一场灾难，万米长跑成绩落到了20年来最低点，曾经18次创造世界纪录的澳大利亚选手克拉克以第六名到达终点后一头栽倒，足足进行了20分钟人工呼吸才悠悠醒来。难怪各国运动员都把高原训练作为增强有氧运动能力的重要途径了。如果汽车的冷凝风扇停转或水箱开锅，发动机将因为温度升高而无法正常工作。对于运动员来说，身体输出的能量有75%变成了无用的热，带来体温升高，而人的器官只能在正常体温上下几度的区间范围内工作。一次跳跃、一次投掷都不会带来体温大幅度升高，自行车选手在骑行中能靠着快速气流来冷却身体。马拉松运动员的形势要严峻得多。特别在炎热潮湿气候条件下比赛，体温可达摄氏42度以上，这些发高烧的运动员常常靠往身上浇水来退烧，但往往只是杯水车薪，因此，身体无法及时散热是马拉松成绩的严重制约因素。而大量出汗带来脱水会使体内电解质失衡及血粘度增高。一次马拉松比赛下来，运动员的体重通常减少3公斤左右，其中主要是水分的丢失。因此途中补液就格外重要了。如今马拉松已经算不上极限运动，穿越撒哈拉大沙漠的220公里长跑，横跨美国东西海岸4800公里的超长距离竞赛，都展示着人类的最大潜力和万丈雄心。马拉松的深刻隐喻本来在于克服距离对信息的障碍，公元前490前的希腊信使菲迪皮德斯为了跑到雅典传递我们胜利了这一简短信息，付出了生命的代价。而马拉松运动本身却又恰恰因为距离障碍而陷入信息的隔绝与混乱。1900年巴黎奥运会马拉松比赛中，美国选手阿瑟.牛顿一路遥遥领先，到达终点后却发现已经有4位选手不知抄了什么近路而捷足先登；1904年圣路易奥运会上，美国选手洛茨中途腿部抽筋后爬上汽车到达终点，却得到了美国总统罗斯福的女儿亲自颁发的金牌；1912年斯德哥尔摩奥运会上，心力交瘁的日本马拉松之父金粟志藏从路旁观众手中讨来一瓶橘子水后，竟跑到别人家中一睡不醒，引起大会组织者和警方四处寻找，直到1965年，76岁高龄的金粟志藏重游瑞典，百感交集中从当年酣睡过的地方跑向斯德哥尔摩奥运会的旧址，被世人称为54年才到达终点的马拉松运动员。百年以来，人们为了及时传回马拉松比赛途中的消息，曾使用过马匹、自行车、摩托车、汽车一路跟踪。而现代科学技术却轻而易举解决了马拉松运动员的定位和监控问题。当选手们把一只轻薄小巧的芯片系在鞋带上，通过设在起跑线的地垫时，根据电动生磁，磁动生电的原理，芯片里的微型线圈便会切割地垫周围的磁力线而产生电流，使芯片开始工作并发射电磁波。每个运动员佩戴的芯片如同一个特殊的电子标签和条形码，储存着个人信息。地垫上的天线捕捉到这些信息后再发送到控制器和计算机进行阅读处理。这一切过程在百分之几秒内完成。等运动员通过终点线地垫，芯片发出的信号再次被接收，整个赛程的起止时间和成绩便一目了然了。如果每隔几公里便铺设一个射频地垫，运动员沿路的行踪便能尽收眼底，并可以随时在网上查询。设想一下，数万人参加的马拉松比赛，如果没有射频技术的火眼金睛和千手观音，全靠人工统计时间和名次，组织工作将会何等复杂浩繁和不堪重负。然而，当全世界最有影响的大型马拉松比赛都把射频监控作为常规配置时，却又大都平行采用两种计时系统，即枪响时间和芯片时间。由于万头攒动的起跑线上，选手们在听到枪响后实际出发的时间彼此差距很大，因此，一个人得到的枪响时间成绩和芯片时间成绩有可能相差10多分钟。毫无疑问，芯片时间更加准确和真实，然而枪响时间目前仍被确认为官方标准。有人抱怨说这是时代的错误，但另外的人辩护说，如果在夹道欢呼中第一个跑到终点的人不能确定是否冠军，而必须等待全体参赛者芯片时间的结果，那么马拉松就索然无味，而变成了一种别的东西了。面对马拉松的滚滚洪流，也许我们需要在科技、文化和传统之间做出恰当的妥协与平衡。上一篇：运动在空气海洋底部标签：奥运 , 科学 , 科技之光 , 马拉松; 个人分类: 奥运|1490 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（十）: songshuhui 2008-9-4 14:24; 科学松鼠会发表于2008-01-10 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。游泳时的三大阻力并非一成不变，随着速度增加，摩擦阻力按线性增加、压差阻力按平方增加、波浪阻力按立方增加，但由于主导部分始终是压差阻力，因此总阻力基本和速度的平方成正比。劈波斩浪走蛟龙游泳是奥运会上最气韵流畅又喧腾激扬的竞赛项目。蛟龙出水般的爬泳，浪翅翻飞的蝶泳，枕涛卧波的仰泳，能屈能伸的蛙泳，在8条蔚蓝色的泳道各展风姿，金牌银牌同样决胜于百分之一秒间。2008年3月在荷兰埃因霍温举行的欧洲游泳锦标赛上，法国选手阿兰.伯纳德以47秒50的成绩刷新100米自由泳世界纪录；接着在悉尼举行的奥运选拔赛中，澳大利亚选手苏利文以21秒28的成绩创造50米自由泳世界纪录。这是人类靠自身力量在水中达到的最高速度。澳大利亚选手苏利文创50米自由泳世界纪录虽然游泳竞赛项目和奥运会同龄，但前三届设置过的20个单项已有85%被淘汰，可见百年间游泳的变迁之大。早期的自由泳是指八仙过海的任意姿势，但由于爬泳速度最快，于是运动员便无一例外的选择爬泳，以至于自由泳成了爬泳的代名词。二十世纪早期，出身于澳大利亚游泳世家的卡维尔对民间朴素的狗爬式进行了系统改造。1924年巴黎奥运会上，后来成为好莱坞明星和人猿泰山扮演者的美国选手维斯穆勒首次在百米赛中突破1分钟大关，并创造了两臂轮流划水一次、两腿打水六次的标准爬泳动作。蛙泳则经历了更多的嬗变，1956年墨尔本奥运会以后，随着国际泳联新规则的出台，潜水蛙泳最后的繁盛随波而逝，新生的蝶泳则正式从蛙泳的支脉中破茧而出，自立门户，从此形成了泳坛四大家族的稳定格局。人在水中为什么能够不下沉？其实人体70%的成分是水，平均密度在0.96至1.05之间。男人和女人，老人和孩子，胖子和瘦子，呼气和吸气的人体密度都略有不同。一个标准身材的成年人受浮力作用，头露出水面时的体重大约3公斤。不过身体浮力的合力点即浮心由身体浸入水中各部分的几何中心决定，和人体重心并不重合，上体因比重小而趋于上浮，下肢因比重大而趋于下沉，会产生扭转力矩。如果将手臂平伸过头就会使浮心和重心更加靠近了。游泳在水中所受的力为什么百米短跑比百米游泳快得多？因为地上和水里的运动机制完全不同。田径运动员靠脚蹬地面产生反作用力奔跑，地球同时被脚掌蹬开的距离可以忽略不计。而人在水中游泳却没有固定的支撑，只能靠推动一定质量的水向身后作加速度运动，使自己借助反作用力前进。挥动的双臂和踢打的两腿如同螺旋桨，是产生推力和升力的引擎。加大马力的基本原则是划水和蹬夹水的速度要尽量快，用力方向的肢体投影面积要尽量大。两届奥运会上五夺金牌的澳大利亚游泳名将索普天生一双蒲扇般大手和47码的大脚，使他相当于戴了一副小号的手板和脚蹼。2004年雅典奥运会上获得6枚金牌的美国泳坛领军人物费尔普斯也因为生就一副大手大脚在水中占尽了便宜。而要提高用力的效率，减少体能的浪费，还要有正确合理的姿势、手形、迎水角度和划水路线。运动员通过划水获得推进力游泳运动员获得推进力后，必须在水中冲破三大阻力。其中的首屈一指的便是压差阻力。水的密度是空气的773倍，粘滞性是空气的55倍。运动员把不可压缩的水挤开后从中间穿越，水便绕着人体流向身后并产生漩涡，形成前后的压力差。身体纵轴越长，越接近流线型，迎水截面积越小，压差阻力就越小。这就是为什么优秀的游泳运动员都有修长的体型，前进中尽量保持身体与水面平行，自由泳和仰泳要滚动身体防止侧摆，蛙泳要减少还原动作的幅度。有经验的教练员说，要想象自己是游在一个管子中。因为人既不像鱼类那样游在水下，又不能像鸭子一样浮在水上。我们游动在水和空气的界面，于是便不得不耗掉一部分体能去激起重重波浪。运动员在这种弓形波浪中游泳，如同举着一定重量的水前进，这便是位居第二的波浪阻力。留心观察一下轮船头部，吃水线以下做成球状便是为了产生反相波，和船身激起的波浪相抵消，从而减少波浪阻力。游泳池里分隔泳道的小转轮也是为了消除相邻选手间的波浪干扰。潜水式蛙泳之所以速度更快就是因为一个猛子扎在水底躲过了波浪阻力，所以才被认为有违公平并不利于观赏而遭取消。不过今天奥运会的蛙泳比赛仍允许出发和转身时潜水蹬划一次，成了潜水蛙泳仅存的遗迹和运动员决不会错过的加速时机。摩擦阻力是游泳运动的第三个束缚。由于水具有粘滞性，游泳时附着在身体表面的水分子便会依次带动相邻层面的水分子前进，这个边界层中水分子的内摩擦产生摩擦阻力。游泳运动员中盛行的刮体毛就是因为摩擦阻力和身体表面积及粗糙度成正相关。游泳时的三大阻力并非一成不变，随着速度增加，摩擦阻力按线性增加、压差阻力按平方增加、波浪阻力按立方增加，但由于主导部分始终是压差阻力，因此总阻力基本和速度的平方成正比。不过千万别以为水的阻力越小越好，如果抱水、抓水、划水、蹬水、打水的时候没有阻力就会让两手扑空、两腿打滑而失去一切动力。简单的诀窍是，凡推进身体向前的有效动作都要充分利用阻力，凡阻碍身体向前的无效动作都要尽量消除阻力。自由泳之所以最快，就是因为身体平直、速度均匀、S型划水、空中移臂等优势，而蛙泳之所以最慢则由于体态相对倾斜、速度忽快忽慢、收腿伸臂等还原动作必须在水中完成。不过蛙泳却从来是最普及和最具实用性的游泳姿势。让时间回到奥运会之初，用棉织平纹布和罗纹布制成的游泳衣松懈又兜水，带来很大的阻力。羊毛和丝绸的面料渐渐使游泳装更加紧凑和贴身。而荒唐陈腐的道德观念曾一度将游泳服视为异端。第7届安得卫普奥运会上夺得3项游泳冠军的美国女飞鱼布莱特雷因在海滨穿短裤游泳而遭逮捕，道学家给她安的罪名是有伤风化。1975年，荷兰学者在船槽中把穿与不穿游泳服进行对照试验，发现穿游泳服比裸泳的阻力减少7%。原因是人作为四肢动物，经过这种包裹和覆盖，能够使全身曲线更加平滑和接近流线型，自此游泳服的穿脱之争告一段落。1988年汉城奥运会上，美国队的大力士游泳服备受瞩目，聚氨酯纤维和超细尼龙纤维不仅使游泳服的重量再度减轻，双向伸缩性和整体平滑度都达到一时无两的完美。到了二十世纪九十年代，无论从质地材料到设计制作理念，游泳服都进入了全新的快速发展时期。 2000年悉尼奥运会成了鲨鱼皮游泳服的大秀台。澳大利亚泳星索普和他的队友身披一袭黑色的连体紧身泳装，英姿勃发，形貌奇特，宛如碧波中勇猛的鲨鱼。这种游泳服按照激光测量的运动员身体数据进行三维设计，用不亲水的特氟纶纤维精制而成，将运动员从脖颈到手腕、脚踝包个严实。它的核心精华是，仿照鲨鱼皮肤真实的结构，在游泳服表面排列了百万个细小的棘齿。当水分子沿着这些棘齿流过时，会产生无数微型的涡流，使得边界层的分离点推后，从而延迟和弱化尾涡的形成。这是一笔合算的交易，增加小额的摩擦力，减少大额的压差阻力。表面光滑的高尔夫球一杆只能打出几十米，而布满500来个圆形或六边形小坑的麻脸高尔夫球却可以打到200米开外。鲨鱼皮游泳服上小棘齿正是起着麻子的作用。仿鲨鱼皮游泳衣尽管对鲨鱼皮、青蛙皮等仿生学游泳服的质疑和争论远未平息，全世界第一流商家却都在倾注大量财富和心血，为开发新一代游泳服暗中角力和较劲。其实竞争的目标也许就是把游泳成绩再提高十分之一秒，但这对于决定运动员究竟是载誉而归或是无功而返，可能已经足够了。上一篇：漫长的奔跑标签：奥运 , 游泳 , 科技之光 , 鲨鱼皮; 个人分类: 奥运|1516 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（十一）: songshuhui 2008-9-4 14:24; 科学松鼠会发表于2008-01-11 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。一个叫科学家长期困惑不解的问题，便是离开跳板时只做前后翻滚的运动员却能在此后凭空创造出围绕身体纵轴的旋转，这看上去明显违背了角动量守恒的常识。美丽的溅落虽然跳水划归奥运会的水上项目并且属于国际泳联管辖，但游泳和跳水其实只能算远亲，体操才是跳水的近亲。只不过体操的空中动作落到地上，跳水的空中动作落在水中而已。1900年巴黎奥运会，瑞典选手就从塞纳河畔木材搭成的高台上凌空飞起，向公众展示了跳水的英姿。1904年圣路易奥运会上，10米跳台跳水成为正式比赛项目，可惜当时还没有多少套路，只能比赛谁跳得更远，美国人谢尔登赢得了奥运历史上第一块跳水金牌。从早期的瑞典、德国平分秋色到美国一支独秀，从俄罗斯崭露头角到中国后来居上，尽管百年风水轮流转，但跳水从来都是奥运会的核心项目。 1920年安特卫普奥运会跳水身姿曼妙、仪态万方的跳水完全是动态的人体艺术。它需要灵巧柔韧的身体素质，精确细腻的平衡能力，清醒敏锐的空间知觉。一个完美的跳水动作包括优雅的起跳、潇洒的腾空和轻捷的入水，这三个环节对于裁判来说具有同等的价值和份量。若问跳板和跳台的最大区别是什么，恐怕就在于跳板是软的。作为挠度很大的弹性体，跳板下压时能把运动员踩板的动能变成弹性势能储存起来，然后在起跳时释放，将运动员弹向空中。铝合金跳板取代木制跳板后弹性大大增加，使人留在空中的时间延长，一米跳板也来得及做点像样的动作了。然而得心应手地驾驭跳板却并非简单的事。我们知道，以平衡位置为原点，在弹性回复力作用下产生的来回振动叫简谐振动。跳板在运动员脚下的起伏低昂便是典型的简谐振动，因此走板动作必须与跳板的固有频率合拍，要按照跳板忽悠的节奏走，也就是让步频和跳板的基频共振，达到合板状态，从而获得动能的叠加和积累。如果步伐的快慢和跳板的升沉发生频率错位，就会带来相互力量的冲撞抵消，出现踩死板的现象。还必须把人和板看成一个系统，体重不同的运动员在完全相同的板上行走，也会使系统有不同的振动周期。这就需要转动支点齿轮来调整跳板自由端的长度,从而校正系统的固有频率。一般而言，体重较轻、腿部力量较弱的运动员可适当增大自由端长度，使跳板软些。体重较大，腿部力量较强的运动员则往往会减小自由端长度，让跳板硬些。当跳板回弹到平衡位置时速度达到最大值，这时纵身离板，能获得最大腾起高度。实际情况还要复杂得多，正式比赛用的跳板只有一端固定，属于单边约束，压板时与中间的支撑点接触,反弹时却与支撑点分离。这种非线性的结构带来跳板状态的不确定性，只能靠科学知识加实践经验来小心把握和拿捏。1988年汉城奥运会上，美国跳水名将洛加尼斯在反身翻腾两周时头部撞上跳板，2004年雅典奥运动会中国选手王克楠不慎失足，许多教训都值得记取。任何抛射物一旦进入无支撑状态，重心的抛物线轨迹将无可更改，它的转动甚至包括爆炸都不会带来抛物线的变化。跳水运动员也是一样，不管从3米跳板一跃而起，还是从10米跳台腾飞而下，能够停留在空中的时间只有1秒多钟，所有呕心沥血、惊险离奇的绝招只不过是让身体各部分围绕质心作相对运动罢了。一个叫科学家长期困惑不解的问题，便是离开跳板时只做前后翻滚的运动员却能在此后凭空创造出围绕身体纵轴的旋转，这看上去明显违背了角动量守恒的常识。在没有外部力矩作用的情况下，身体的旋转角动量从何而来呢？1979年，美国的59位资深物理学家接受问卷调查，其中竟然有56%都做出了错误的回答，认为这种旋转不可能发生。面对体育运动的常青之树，理论又一次显示了无奈的灰色。猫从空中的坠落过程有人联想到猫四脚朝天从空中坠落时总能正常着地，认为跳水的旋转动作和猫的转身属于同样机制。这些研究对人类在宇宙空间的无支撑运动也许颇有意义，但解释跳水中的人体旋转却不得要领。我们知道，体操运动员腾空前通过脚与地面的相互作用能产生旋转力矩，由此带来身体在空中的旋转称为早旋。跳水规则将早旋视为犯规，运动员腾起时只有绕横轴的翻转，升空后才通过手臂动作引起的身体纵向旋转称为晚旋。其中的全部奥妙在于，随着运动员在空中将一条手臂突然抛掷过头，另一条手臂迅速挥摆到髋部，身体形态和质量分布的骤然变化和不对称带来旋转轴的倾斜。为了满足角动量守恒，身体必须将总角动量中多出的一部分转化为纵轴旋转。所以，跳水中晚旋的角动量是从离开跳板时身体绕横轴的角动量中挪用过来的，此时身体绕两个轴旋转的角动量之和等于初始的总角动量。身体形态和质量分布变化和不对称带来旋转轴倾斜运动员的入水是一种美丽的溅落，在这种固体流体碰撞中，如何让溅起的水花减少到最低限度，其中的学问至今仍扑朔迷离。入水前最重要的动作是把握时机打开身体增加转动惯量，以刹住旋转并确保垂直入水。压水花技术更几乎是各国跳水好手的秘密武器，不过基本原则已经为众所周知。起初人们先验的认为将双手合拢，呈流线型入水会阻力最小，溅起的水花也最小。据说有人在冰棍式跳水中无意发现不绷直脚尖而用脚掌对水效果更好，于是带来了平掌撞水的压水花技术。实验表明，楔形物体坠入池中时，由于水的不可压缩性，便沿着阻力最小的方向寻找出路，楔形物的斜面便是这个方向。而和方形物体碰撞的水主要横向运动，因受到四周水的压力无法冲腾而起，这便是掌心向下水花小的原因。从10米跳台入水时，瞬间速度达每秒15米，手部承受相当的压力，运动员在实践中创造了不同的手型组合适应不同情况。由于入水时身体在空中的旋转很难完全停止，手掌就需要正对速度的方向而不能只是平行于水面，这就是精巧微妙、细节决定成败的揉水技术。最悦目赏心和令人叫绝的跳水，要数2000年悉尼奥运会才正式进入比赛的双人项目了。两个选手起跳的高度和姿态、空中的弧度和进程、旋转的相位和节律、落水的区域和时间，都必须完全同步、高度协调、互为镜像、如影随形。单人的完美并不等于共同的完美。初始条件的微小差别都将带来巨大的积累误差。而不同选手只要满足同样条件，彼此的动作便能够互相复制，他们最形象地证明了力学中确定的因果关系。看到跳水运动员在弹网和蹦床上进行训练，便再次想到它的两栖属性和体操出身。至于那些妙趣横生的滑稽跳水，惊险刺激的悬崖跳水都逃不出基本的力学规则。今天跳水的动作代码本和难度系数表已经空前增厚，许多人惊呼跳水运动已经到了顶峰和极限。不过别忘了，20年前就有人做过这种断言。上一篇：劈波斩浪走蛟龙标签：奥运 , 科学 , 科技之光 , 跳水; 个人分类: 奥运|1668 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（十二）: songshuhui 2008-9-4 14:23; 科学松鼠会发表于2008-01-12 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。船体形状、材质和吃水的湿面积都是工程师殚精竭虑的课题。中流击水看飞舟船速似箭，船形如梭，彩色的浮标隔开6个赛道，翻飞的桨叶如手脚的延伸，赛艇运动的确很像游泳。不过这里的游泳者是船，这片游泳池的面积也大得多。从1829年开始，牛津大学和剑桥大学在泰晤士河上的校际赛艇对决成为伦敦的一大盛事。奥林匹克之父顾拜旦也是赛艇高手，他亲自将赛艇项目安排进1896年首届雅典奥运会，可惜爱琴海湾的自然水域风高浪急致使比赛无法进行。1900年巴黎奥运会上，赛艇在塞纳河首次下水，此后便一直没有中断。赛艇运动按照乘员人数、使用单桨或双桨及有无舵手划分为不同项目，欧洲人一直高踞赛艇的霸主地位。英国名将雷德格雷夫在5届奥运会上获得金牌，9次蝉联世锦赛冠军，身患糖尿病后仍在2000年悉尼奥运会上力拔头筹，使他成为彪炳于史册的赛艇巨星。 1900年代牛津和剑桥大学在泰晤士河上传统的赛艇竞赛 1964年东京奥运会上，前苏联选手伊万诺夫在同东德选手赫尔的激烈争夺中用力过度而在终点线前短暂休克，但惯性前进的船仍以3.73秒的优势把他送上了冠军宝座。赛艇不像帆船能在风的鼓动下获得连续的动力，每当桨叶划水时，由于驱动力大于水的阻力使赛艇速度增加，一旦桨叶离开水面，这种驱动赛艇的正力便立即消失，船靠惯性继续运动，并在水的阻力作用下减速。作为一个运动系统，赛艇乘员的质量占70%以上，船体的质量不足30%，桨的质量在5%以下，三者的重心随时处于相对运动中。回桨动作和身体在滑座上的前移都会产生负力影响船的前进。赛艇动力的脉冲性变化带来速度的周期性波动。如同跑步的快慢由步频和步幅决定一样，船的速度与桨频和划幅两个变量相关。每划一桨让船艇移动的距离叫划距，也就是比赛全程除以划桨次数，它反映了选手划水的效率。从桨叶入水、划水到回桨，各动作环节的时间比例叫划船的节奏，这些看似简单的基本功都有很深学问。一条八人赛艇有20米长，仅60厘米宽。多亏这些远远伸展到舷外的桨架，加大了桨的长度，并使船的宽度不受桨的限制。赛艇的前进靠桨推动水产生的反作用力，所获得动量的大小等于桨推开水的质量和速度的乘积。用宽阔的桨叶推动大质量的水低速运动，比用狭窄的桨推动小质量的水高速运动更有效率。从岸上观察，船桨可以视为物理学中第二类杠杆，即受力点在支点和施力点之间。桨叶作为相对不动的支点，将力量传到受力点桨架上推动赛艇前进。把封闭式桨拴改为活动式桨环，大大提高了划桨的幅度。在平行于赛艇纵轴的滑轨上安装带轮子的座板，划桨便不再只是胳膊的劳作，随着周期性的前俯后仰、臂拉腿蹬，运动员身体也来回滑动，使腰背和腿部力量都得到了充分发挥。而脚蹬架则提供了一个很好的立足点。澳大利亚女子赛艇队员罗宾斯在2004年雅典奥运会八人艇决赛中撂挑子，距离终点线650米处突然弃桨罢赛并躺在船上，致使全队痛失获奖机会。赛艇不比足球，罚下一个运动员仍可以照赛不误，船上少一位桨手就会影响力量对称带来航向偏转。赛艇的运动员是背对着终点的，为了确保在2000米直线航道上不偏不倚行进，需要凭借着起点线之外的叠标随时校准方向。这是一个大尺度的瞄准装置，三点一线原理类似枪械上的准星。2.5米高的标志牌在前，5米高的标志牌在后，中间相距约30米。运动员在划行途中可以随时观察两块牌上醒目的黑线是否重叠来判断赛艇有无偏离航向。有舵手的赛艇主要靠舵来控制方向。舵叶垂直浸没在水中并能绕舵轴转动，一定冲角的水流对舵叶产生压力迫使船体转向，使船具有可操纵性。赛艇的舵手是一船之魂，不仅手操舵柄把握方向，而且通过电动扩音器发号施令、调整战术、鼓舞士气。中国队为备战即将举行的2008年北京奥运会，正在大张旗鼓从平民百姓中选拔八人单桨赛艇舵手，得到国际奥委会的高度评价并引起赛艇界极大兴趣，认为这一创举不仅使贵族气息的赛艇运动平民化和普及化，还可能会像火炬接力一样成为奥运文化遗产。 1968年墨西哥奥运会上前联邦德国队获8人赛艇冠军，中间为小舵手回顾历史，早在1879年，耶鲁大学赛艇队就是由中国留学生钟文耀掌舵，夺取了全美大学生赛艇冠军。1900年巴黎奥运会上，荷兰赛艇运动员白兰特和克兰就曾经临阵易帅，用7岁法国儿童换下了体重132磅的成年舵手伯劳曼，最终赢得双桨轻舟比赛金牌。1952年赫尔辛基奥运会，法国运动员塞利斯和迈希尔获得冠军时聘用了14岁的舵手马利瓦奥；1960年罗马奥运会上，13岁的小舵手泽塔指挥德国名将纳拜尔和莱纳博格一举夺魁。相对而言，舵手不需要过人的体能和技巧，但更需要智慧的头脑和心灵。具有良好素质的门外汉经过一段强化培训是可以胜任愉快的。竞选赛艇舵手，也许是平民百姓变成奥运英雄的唯一机会。孟关良和杨文军在2004年雅典奥运会上夺取男子双人划艇500米金牌，让更多的中国人开始了解这项运动。据说划艇的源头可以追溯到印第安人的独木舟。这种菱形的一叶扁舟上人无座，船无舵，桨无架，人、船、桨彼此之间处于不停的相对运动中。运动员前腿弓，后腿跪，两脚和膝盖形成的钝三角形支撑面落在船的几何中心上。单人划艇的桨手只能在船的一侧划桨，来自单边的动力会和船的阻力中心产生力偶，引起船体转动。这便需要桨在划行时靠紧船舷，并且在每桨结束时用拐弯的J形划水动作起到操舵作用，以保持船的直线航行。划艇的J形划水动作人们尽可以将皮艇与划艇相提并论，统称为皮划艇，但却绝不能将二者混为一谈。划艇为船体敞露、无遮无拦的开放式，皮艇则为船体密封、水泼不进的闭合式。4000年前爱斯基摩人的皮艇将海狮皮蒙在鲸骨、木头的架子上，再用鲸油进行防水处理，这一属性保留至今。皮艇的桨杆两头各有一面桨叶，方向互相垂直，在船的两侧此起彼落，轮流划动，远看宛如美丽的风车。运动员坐在舱中紧凑而伏贴，实现了船和身体合二为一，所以皮艇特别灵巧。激流回旋是奥运会最惊心动魄、险象环生的水上比赛了。在犬牙交错的礁丛和奔腾咆哮的漩流中跌撞摔打，这原本是自然河道上的运动项目。1972年慕尼黑奥运会首次在奥格斯堡修建了一条人工赛道，使激流回旋摆脱了自然条件限制并进入了奥运会。可惜由于造价昂贵，此后整整20年令承办国望而却步，直到1992年巴塞罗那奥运会才重新成为常规竞赛项目。激流回旋赛道的设计追求别出心裁，长约300米左右的弯环河道落差有6米，强大的泵站以每秒近20吨的流量将水抽取到上游后滚滚而下，崎岖盘陀的河床在许多位置设有地槽，安装可移动式障碍和礁石，造成千变万化的飞湍瀑流。皮划艇到达终点后，传送带能再次把运动员连人带船提升到起点。世上没有任何一次完全相同的激流回旋航程，在雪浪鼎沸、水如乱云的河道上，读水是运动员随机判断水情、水性的能力。狭窄的咽喉水流湍急，较宽的肚子水流减缓，不仅越离开岸线靠近中心水流越急，而且底部河床和水面空气的阻力都会使中间层流得最快。跨河索缆上悬吊的门杆一路排成25个水门，其中至少6个逆水门，伫候选手依次穿过。这些红色的逆水门都设置在障碍物后面，礁石逼水成漩，水面涡大如轮，只有巧妙利用漩涡的回流力量，才能通过定桨动作完成下降旋转、原地旋转和上升旋转，在龙门阵中进出自如。某种意义上说，激流回旋就是逆水门技术的较量。皮划艇激流回旋竞赛船体在水中的阻力受多种因素影响，冬天接近零度的水粘滞性更强，对船体的阻力比夏天的水高出一倍。船体形状、材质和吃水的湿面积都是工程师殚精竭虑的课题。从天然木材、玻璃钢、尼龙到聚酯纤维、卡夫拉纤维、碳纤维，赛艇和皮划艇经过百年的脱胎换骨变得更轻、更韧、更坚；船体的改进使波浪阻力和摩擦阻力显著减小，桨叶形状的变化让划桨效率节节提高，计算机的应用开启了船艇最优化设计的新时代。今天五大洲的江、河、湖、海上，到处都有诺亚方舟的绵绵种子和人类中流击水的勃勃英姿！ 2012年伦敦奥运会激流回旋赛道效果图上一篇：美丽的溅落标签：奥运 , 皮划艇 , 科学 , 科技之光 , 赛艇; 个人分类: 奥运|1522 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（十三）: songshuhui 2008-9-4 14:23; 科学松鼠会发表于2008-01-13 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。当今帆船最高速度的世界纪录是英国人梅纳德2005年创造的，达到48.7节，已经十分接近于公认的50节极限，简直象掠过海面的水上飞机。直挂云帆济沧海以风为燃料，以帆为马达，在蓝天碧海间纵横驰骋、一争高下，这便是奥运会上最悦目赏心的水上项目帆船比赛。轻盈快捷的飞行荷兰人型、芬兰人型、470型、星型、激光型、49人型；稳健厚重的暴风雨型、索林型；双体合一的托纳多型、十平方米型；小巧玲珑、介于帆船和冲浪之间的米斯特拉、RSX帆板。五彩缤纷的帆船展开了奥运会上最辽阔壮美的海上风景，也成为高悬了十多块金牌的战略要津。帆船是人类驾驭自然力量最早的杰作，当万里长风鼓动了麦哲伦、哥伦布的船帆，便从根本上改变了地球文明的进程。1896年雅典奥运会上，帆船就被列为正式比赛项目，因为爱琴海天气恶劣未能举行。丹麦最杰出的帆船泰斗保罗.埃弗斯特隆曾四次蝉联奥运金牌，56岁时还和女儿特琳同船参加洛杉矶奥运会托纳多级比赛；前苏联选手瓦伦汀.曼金在奥运会中夺得三个不同级别帆船比赛冠军；美国运动员哈里.美格斯独自拿下了奥运会和美洲杯两项大赛金牌；英国姑娘艾伦.麦克阿瑟2005年打破由男性保持的帆船环球航行纪录，震惊了整个世界。现任国际奥委会主席罗格也曾经是优秀的帆船运动员，先后参加3次奥运会并获得过帆船世界杯冠军。百年之间，帆船运动风生水起，造就了许多传奇人物和传奇故事，体育界对人、船、水、风之间相互关系的理解也日益加深。用浮标在海面围出一块多边形水域，参赛帆船绕标航行，整个赛程下来，航向常常要经历360度的变化，这便向选手们提出了八面来风的挑战。顺风航行的原理浅显易懂，帆对风的阻力就是风对帆的推力，古人使用的方形横帆便是只有一路顺风时才能风正一帆悬的。但帆船能够顶风行驶却常常令人困惑不解，其中的奥妙何在呢？将手中的拖把垂直对着地板，拖把显然无法推进，但如果倾斜一个角度，拖把就能向前移动了；在桌面上紧贴着直尺放一块三角板，施加在斜边上的力会把三角板沿直尺方向挤跑。帆船在水中能逆风行驶，也必须和风的方向形成45度左右的夹角，风的压力作用在船帆上，便能产生向前推动的分力。更主要的原因在于，自从公元9世纪阿拉伯人发明了三角帆，船帆便不再是装风的口袋，而成了飞翔的翅膀。我们不妨先看看飞机是如何升空的。当气流在机翼前缘一分为二，沿着上、下表面流到后缘会合。由于机翼的上表面凸起，下表面平直，因此上表面气流速度大，下表面气流速度小，根据伯努利原理，流动快的空气压强小，流动慢的空气压强大，机翼上下方的压力差便是托举飞机翱翔蓝天的升力。公元9世纪阿拉伯人发明了三角帆后，船帆便酷似一个竖直而立的机翼，风在帆的前缘被劈开，再流到后缘去会合，由于帆的迎风面凹陷，背风面凸起，形成了一定的曲度，致使空气在背风面的流速大于迎风面的流速而形成低压区，于是伯努利原理便立即生效了。这时的船帆从海平面每平方米10吨的静止气压中获得巨大的空气动力，成为帆船前进的引擎。当帆船逆风行驶时，必须通过不断地转舵换舷，沿着之字形路线航行。船与风向的夹角越大，航速越快，不过会以航程加长为代价。逆风航行是选手最容易拉开距离的赛程。根据伯努利原理船帆在空气中受到的拉力但无论来自船帆迎风面的推力和背风面的吸力都会使船发生横向漂移，这又要靠安装在船底的纵向挡水板来抵消船帆的侧向分力了。和船身连为一体的挡水板叫龙骨，能够随时抽起和放下的叫稳向板。它们在水中巨大的横向阻力确保了船体能在很小的漂角下直行前进。 1988年汉城奥运会上，加拿大帆船运动员勒比厄放弃夺金机会援助翻船的新加坡选手，一时间传为佳话。但水能载舟，也能覆舟的事却在帆船竞赛中屡见不鲜。静止状态下，船的重心和浮力中心在同一条垂线上，当船倾斜时，一侧的部分体积离开水面，另一侧则会有同样的体积浸入水中，浮力中心也随之外移，于是浮力力矩使船体恢复平衡。这也是平底船比尖底船稳定性更好的原因。我们把浮力作用线和船体中心线的交点称为稳心。稳心越高于重心，船就越稳定。航行中船帆的横向分力与龙骨和稳向板的阻力之间会对船产生倾侧力矩，如果船的重心落在浮力中心的外侧，也就是重心高于稳心时，翻船的事故就会发生了。船的龙骨使用较重的材质来压仓和降低重心，其稳定作用颇似科技馆里带有配重锤的自行车能在空中钢缆上骑行，将人-车系统变成一个不倒翁。帆船比赛中常常看到运动员把身体远远挂在船外压舷，有时还要穿上铅质坎肩，就是为了改变船的重心位置以保持稳定平衡。 2004年雅典奥运会，爱琴海上高手云集，群帆竞发。最后一轮比赛中，饱经风浪的悉尼奥运会米斯特拉级冠军森尼西却选择了错误航向，结果落到了10名以后。帆船比赛的确实需要见风使舵的本领。海面上实际吹动的风叫做真风，船只运动产生的风叫行进风，乘员在船上感觉到的风叫做体感风，它是真风与行进风的合成，速度往往比真风更大。船在横风行驶时速度比顺风还快，因为船帆能获得更有效的推动力。而海面的风力、风向复杂多变，阵风、乱风随起随落，这便需要敏锐的观察、清醒的判断和果敢的决策。运动员随时要调整航向寻找最优路线，收放索具控制船帆拱度，千万别以为船帆上缀着那些飘动的小布条是为了装饰，英语管它们叫telltales，意思是告密者。这些气流线随时透露着风的情报。当迎风面和背风面上的小尾巴都能同时欢快流畅的飘舞时，船帆就找到了最佳的攻角。竞赛中，处于上风的船设法挡住追赶者的风，这是十分有效的计谋和战术。 16世纪的时候，在茫茫大海上无法判断航船的速度，聪明的水手将等距离打结的长绳拖着漂浮物抛到海中，再定时收回进行计算，这便是海船速度通用计量单位节的来源。1节相当于每小时1海里，或1.852公里。今天，轻盈坚固的玻璃钢、碳纤维及新型复合材料取代木材，使船和水接触的湿面积不断缩小，带来波浪阻力和摩擦阻力的减少。计算机对船体流体力学性能的模拟设计，风洞试验对船帆材质和三维形状的优化选择，都使当代帆船在头尖体长的基本模式下不断改进。法国人设计的双体帆船在2007年创造了47.2节的航速，比真风的速度快3至4倍。当今帆船最高速度的世界纪录是英国人梅纳德2005年创造的，达到48.7节，已经十分接近于公认的50节极限，简直象掠过海面的水上飞机。 Hydroptere 帆船我们也许都看到过另一种神奇的风帆，它们的运动机制和原理与帆船十分相似，但却是奔驰在陆地上的旱船。这些沙帆和冰帆的时速都能达到70公里，的确别有一番情致和趣味。但毫无疑问，帆船永远是属于大海的。既会领略海的温柔又能接纳海的暴躁，这才是完整的蓝色畅想。历尽风云变幻，看惯波涛诡谲，能铸就帆船运动员大海般的胸襟和情怀，而只有当升起科学的风帆时，才能成为大海真正的儿女。上一篇：中流击水看飞舟标签：奥运 , 帆船 , 科学 , 科技之光; 个人分类: 奥运|2090 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（十四）: songshuhui 2008-9-4 14:22; 科学松鼠会发表于2008-01-14 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。当复杂而高速的空中运动在大约0.1秒间嘎然变成地上完全的静止状态，重力和翻转产生的冲击可达到体重的10多倍。体操ABCDE 当人们以阿基米德、牛顿、开普勒的名字为科学定理命名时，体操界同样秉承了这一宝贵传统。于是我们对托马斯全旋、特卡切夫腾越、冢原空翻、李宁吊环、程菲跳同样耳熟能详。没有任何运动能列出这样一份长长的清单，最简单的跳马也有100多个注册在案的标准动作。把每个时代的开拓者连同他们的贡献载入史册，体操成长的脉络因此而格外分明，同时也昭示着一种价值观：弃旧图新、张扬个性是体操的灵魂。体操在1896年首届奥运会上便是正式比赛项目，早期体操的界定混乱，水平低下，曾将跳高、跳远、爬绳都纳入竞赛，地面双手倒立，单杠引体向上都成为重要动作。评判也缺乏客观依据，印象分的标准常常暧昧而含混，1954年首次将体操动作按难度划分为A、B、C三个等级并赋予确定的分值。 1908年伦敦奥运会女子体操 1948年伦敦奥运会女子体操平衡木比赛 1972年慕尼黑奥运会上，日本选手冢原光男首次完成了被称为月亮空翻的单杠团身后空翻两周转体360度下，推动了体操技术长足进展。1976年，14岁的罗马尼亚姑娘科马内奇在蒙特利尔奥运会获得了体操史上第一个10分，当时的电子记分牌竟然无法显示。此后世界体操水平迅速提高，一度出现10分满天飞的局面。1985年增设D组难度，此后又增设E组、超E组，仍然赶不上赛场日新月异的变化。最近冒升出来的不少高难动作已经归入F组和G组。1997年国际体操联盟大胆决定在比赛中取消规定动作，让优秀选手能有更多机会大展才华。今天体操运动中许多稀松平常的基本动作，都足以让10年前的奥运冠军目瞪口呆。 1976年蒙特利尔奥运会上罗马尼亚选手科马内奇获女子自由体操中满分10分翻腾和旋转是体操的亮点与看点，也是含金量和惊险度的主要元素。尽管各种套路翻新出奇，如果从力学的角度来观察，便能将不可胜计的动作化繁为简，从眼花缭乱中看到有条不紊。人作为活体虽然有别于非生命体，但不妨简化为多刚体系统的力学模型。体操中常见的一种旋转是沿着有支撑点的实体轴转动，单杠、双杠、高低杠都可以成为这样的实体轴，运动员悬垂摆动和回环动作中的握杠点便是支撑点。自由体操和平衡木的720度吸腿转体、1080度立转等则是有支撑点无实体轴的转动，冰上和芭蕾舞中更常见这种动作。踮起脚尖是为了减小支撑面产生的摩擦力矩，一枚旋转的图钉只有在钉帽朝上时才能保持稳定就是这个道理。身体沿着有支撑点的实体轴转动有支撑点无实体轴的转动而人体在空中沿着自身前后方向的筋斗，沿着左右方向的踺子和沿着竖直方向的旋转，则围绕着三维坐标中三条非实体轴线，坐标的原点是身体的质心。任何复杂的机械运动都可以分解为彼此独立的平动和转动，它们互不干扰、互不影响，只有合成与叠加关系。体操动作也不例外。2004年雅典奥运会上，西班牙选手莫雷诺完成的自由体操超E组动作展示了又高又飘的后空翻转体1440度，这是一个斜抛物线运动和后翻一周的筋斗加上1440度急速转体的合成。质心的高抛物线为完成这个双轴复合转动提供了呆在空中的必要时间。有些体操运动员在完成顶尖级动作时，身体重心腾起的高度已经超过了跳高世界纪录。只用稍加留心便能发现，要在空中翻出一个720度的筋斗，运动员的身体必定抱成一团，直挺挺的姿势难以获得很高的转动速度，这是角动量守恒定理的形象演示。任何旋转物体的角动量等于转动惯量和角速度的乘积，转动惯量是转动物体的惯性，与质量成正比，与离开转动轴垂直距离的平方成正比。体操运动员直体的质量分布离转动轴最远，所以转动惯量最大，屈体把上下肢折叠起来，身体质量分布更靠近旋转轴，使转动惯量减小，团身则把肢体紧紧叠为三折，使全身质量最大限度向转轴集中靠拢，因此转动惯量最小。运动员都会利用转动惯量的可变性，通过改变身体姿势和改变旋转轴来控制动作。这也是在落地前要及时打开身体，通过增加转动惯量来煞住旋转的原因。身体的翻腾旋转都需要力，以自由体操为例，起跳时让腿部蹬伸的反作用力不通过身体重心，这种偏心力矩会带来身体的横向、侧向滚翻；地面和脚的摩擦力矩、杠上扭臂产生的力矩则带来身体的纵向转动。单杠、双杠、高低杠的弹性形变和反作用力同样为身体提供偏心力矩。跳马的中推手能和人前进的重心形成力偶，让身体在第一腾空之后围绕制动点旋转，这种机制有些像跑步时绊个跟头。至于蹦床则可以比作一个硕大的网球拍了。腿部蹬伸作用力不通过人体重心体操动作的难度还包括动静两难。平衡木上的造型，吊环和双杠上的倒立，随时都需要用新的力矩来克服倾翻力矩。刚健优美的直角支撑、十字悬垂、十字水平支撑等则需要以极大的静态力来维持身体平衡，使身体重心所受合力为零。这些凝固的美恰好与体操目不暇接的飞行翻转动作相得益彰。如同一篇文章需要有精彩的结尾，整套体操动作从器械上的下法常常成为决定成败的关键。当复杂而高速的空中运动在大约0.1秒间嘎然变成地上完全的静止状态，重力和翻转产生的冲击可达到体重的10多倍，要想站稳脚跟，合外力矩的能量必须小于脚的最大恢复能量。好的动作腾空高，落地近，保持一个较大的顶角，让两脚落在身体重心速度的延长线上。如果旋转的角动量还没有在展体中消耗完毕，就会在地上继续发作，使人前仰后合东倒西歪。更重要的是，人体落地承受的冲量，是力与时间的乘积，只有延长力的作用时间才可以换来冲击力的减少。除了垫子的使用，让前掌着地后迅速过渡到全脚掌，并依照正确顺序使髋、膝、踝关节作急剧的退让性收缩，这种缓冲动作能有效延长脚与地面的作用时间。所谓旋转如风，落地如钉便是运动员下法动作的最高境界。屈指数数我们熟悉的奥运体操明星，男儿英姿飒爽，体态结实紧凑。女儿亭亭玉立，身材小巧玲珑。牛高马大和丰乳肥臀不（不符合）仅破坏体操的美学法典，同时违背科学原理。高大的身体会增加各部分的转动惯量，妨碍动作的灵巧。更重要的原因在于体重和力量不是线性关系。肌肉按立方关系增加，输出功能只按平方关系增加，力量大小由肌纤维截面积所决定。因此袖珍型选手具有更高的肌肉贡献率和体能效率。这和人们常常谈论的跳蚤跳得高，蚂蚁力气大之类的古典问题又触类旁通了。 2006年阿胡斯世界体操锦标赛上，多年来一直象征完美的10分制被无情抛弃，难度不封顶的新规则在岐见纷纭中毅然出台，并开启了体操竞赛的世界纪录，这是国际体操联盟进一步奖掖创新、鼓励冒尖、拉开差距、淘汰平庸的大胆改革。在龙腾虎跃、群雄竞起的国际体坛上，每个运动员只有不断的创新才能摆脱生存焦虑，而任何技不惊人死不休的动作都离不开严格论证和精密计算。今天的体操比任何时候都更钟情于科学，这里是巧思和创意永不枯竭的源泉。上一篇：直挂云帆济沧海标签：体操 , 奥运 , 科学 , 科技之光; 个人分类: 奥运|1618 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（十五）: songshuhui 2008-9-4 14:22; 科学松鼠会发表于2008-01-15 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。在枪林弹雨的射击场上，随机干扰因素很多，最宝贵的品格是气定神闲和心无旁骛。靶场风姿荷枪实弹的运动员，枪声四起的打靶场，每届奥运会几乎都把射击作为先声夺人的开篇和头彩，让首块金牌在喜庆的鸣枪中诞生。中国人不会忘记，是1984年洛杉矶的一声枪响，为我们送来了第一块奥运金牌。现代奥运会的缔造者顾拜旦曾经是枪法一流的射击运动员，1896年雅典第一届奥运会上，射击便占据了5个比赛项目。第一次世界大战让人们听到太多的枪声，对战争的厌倦和恐惧曾让射击运动退出了1928年阿姆斯特丹奥运会，待到1932年重返洛杉矶奥运会后仅设2项比赛。直至二十世纪五十年代，射击运动才开始逐步走向复苏。早期射击比赛使用的枪支全是战场上的军用武器，伴随着文明前进的步伐，这些军火与兵器陆续退出了运动场。当人像靶全部改为同心圆的环靶，10米跑鹿靶、跑猪靶也渐次隐去了动物的轮廓，五环旗下的枪口不再提倡对准任何生命，射击场真正变成了和平安详的体育竞技舞台。今天的射击比赛已经发展为步枪、手枪、移动靶、飞碟四大类57个项目，是奥运会上备受青睐的一大热门。 1948年伦敦奥运会射击计分牌连续10多年垄断手枪速射金牌的德国运动员舒曼，被誉为射击场上的机器人，这一美称的要旨在于机器人具有刚体的稳定性。而人作为两足支撑、有血有肉的活体，只能在动态中维持平衡，因此稳定是相对的，不稳定是绝对的。射击运动员据枪瞄准时可以屏住呼吸，却不能屏住心跳和血液循环；身材越高的运动员重心越高，越要随时通过小脑来综合视觉、内耳前庭和半规管传来的信息，指挥肌肉骨骼系统确保身体的静力平衡。足底压力中心测试表明，运动员的重心轨迹始终处于晃动状态，不过训练有素的选手晃动面积较小。与此同时，运动员手中的枪也会发生水平方向晃动带来的X偏差和垂直方向晃动带来的Y 偏差。通过红外光点测试仪可以看到，射手瞄准时枪口的晃动轨迹大体呈圆形或椭圆形分布，优秀运动员的晃动振幅在9环之内并且光点往返通过10环的次数频繁。可见射击的诀窍是动中求稳，当最佳瞄准景象出现时扣动扳机，在晃动中击发。不过轻轻弯曲一下食指却是射击中最具功力的顶尖技术，必须让食指单独操作而其余手指维持原状，并确保用力正直向后的纯度，不破坏据枪的稳定，达到下意识中自然扣响的境界。如果像开易拉罐那样食指大动，就会把据枪和瞄准之功一笔勾销了。至于国际射联严格规定运动员服装不许过厚或过硬，正是为了防止由此给身体提供额外的支撑，使人刚化而增加稳定性。三点成一线已经是十分普及的瞄准知识了。由于光的直线传播，当靶子、准星和称为照门的缺口在射手的视线中重叠时，就可以认为枪膛轴线指向了目标。然而，运动员不可能同时既看清远景的靶子又看清近景的准星。如同电视镜头拍摄近处人物的清晰特写，远处人物的影像必定虚焦和模糊。人的眼睛也是最高效的摄像机并有一定的景深，因此，究竟是高瞻远瞩看靶心，还是明察秋毫盯准星，二者之间必须进行选择和取舍。让准星位于缺口的中央，准星上沿与缺口上沿平齐，这一操作称为平正准星。由于枪口到靶子之间的射击距离远远大于照门到准星之间的瞄准基线长度，因此平正准星产生的误差要比瞄准目标产生的误差大几十倍至上百倍。比赛场上，运动员都会在看清靶心后收回目光，把注意力集中到准星和照门的平正关系上，仅用眼睛的余光引导枪支指向靶区，这是瞄准技术的基本原则。 2004年雅典奥运会上，美国名将埃蒙斯在男子50米步枪决赛的最后时刻，竟昏头昏脑把子弹打到别人的靶位上；15年来屡破世界纪录的保加利亚选手莱切娃却连续4届在奥运会上与金牌无缘。许多著名神枪手饮恨靶场，并非因为技术瑕疵，而是由于心理疙瘩。诚然任何体育比赛中的精神因素都至关重要，19次打破世界纪录的澳大利亚长跑名将克拉克从未登上奥运冠军宝座，这位伟大失败者临阵忐忑的精神状态被称为克拉克现象。但对于射击运动，心理素质更起着决定性作用。在枪林弹雨的射击场上，随机干扰因素很多，最宝贵的品格是气定神闲和心无旁骛。任何紧张慌乱、畏怯焦虑等应激反应都会导致体内肾上腺素和皮质醇倾泻而出，从而改变心跳频率、呼吸幅度和神经肌肉状态，影响身体的稳定平衡，甚至引起情绪失控和大脑空白。多次射击瞄准中屏蔽呼吸带来的氧赤字也会影响人的精神活动。因此体育界一致认定，射击大赛主要是心理大赛。其中心理、技能和体力负荷所占的份额为7比2比1。二战期间带领盟军横扫欧洲的巴顿将军曾经参加过1912年斯德哥尔摩奥运会，这位26岁的西点军校学生在击剑、300米自由泳、800米马术、4公里长跑中都名列前茅，唯独25米手枪射击脱靶而屈居五项全能比赛第5名。巴顿却始终坚信他的子弹射进了前面选手在靶上打出的窟窿里。此后多年，射击场上一直用大活人躲在壕沟里通过肉眼观察来计环报靶，不仅危险、迟缓而且可靠性差。直到1968年墨西哥奥运会才首次使用自动报靶装置。今天先进的电子报靶系统不但能立即确定运动员的成绩并精确到十分之一环，还能将结果直观展现在电视屏幕上，让观众一枪一枪欣赏射手的技艺，射击运动的生存发展由此得到了更可靠的保证。这是一个电子技术和声学技术完美结合的发明，紧靠靶位背面安放了一个几厘米厚的双层密封测声室，如同一只薄薄的方形板鼓，下端框架设置了3个灵敏的麦克风。当子弹穿过靶面击中橡胶鼓皮时，由于弹着点到3个麦克风的距离不同，计算机便能通过接收声波的时间差确定射击的环数，并能通过和发射区的联动来识别其它选手发射的乌龙枪。每次射击后靶面的靶纸还会滚动更换。巴顿将军如果生在今天，就不会有口难辩和抱憾而归了。 19世纪英国著名画家曾专门为射击运动绘制了跑鹿靶，悬挂在轨道车上用人工牵引前进。如今的移动靶早已改为电子操纵。飞碟靶则由活的鸽子改为沥青、石膏和新型材料制成的易碎品，由靶壕内的多组抛靶机向不同方向、高度和角度随机抛出。为了提高观赏性和便于电视转播，现代比赛用的彩靶在正面凹槽中装满红色粉末进行密封，一旦碟靶被击碎，空中便会飞扬起桔红色的烟尘，如火焰燃烧和礼花绽放。早期跑鹿靶彩色碟靶 1992年巴塞罗那奥运会上，中国女子运动员张山在双向飞碟混合比赛中压倒各国男子选手夺得金牌，200枪无一虚发的奇迹传为美谈。飞碟抛出的速度达每秒20米，在4至5秒内飞行75米，运动员必须手疾眼快，在0.5秒内完成全套动作，让运枪路线、速度都和碟靶的飞行同步，这是一种模糊状态下的概略瞄准。飞碟射击使用的霰弹枪膛有一个倒喇叭口形状的喉缩，每发霰弹中200多颗直径约2毫米的球形铅丸装在一个塑料杯里，霰弹出膛后，由于铅丸的比重远远大于塑料杯，因此在飞出15米左右时脱离塑料杯而散开，并在35米左右形成直径约60厘米的水滴形弹群和弹幕，这是命中目标的最佳距离。如果延误时机让飞碟渐行渐远，迅速张大的霰弹之网就会因网眼过于稀疏而漏掉目标，并可能成为强弩之末而无力击碎碟靶。 1992年巴塞罗那奥运会上中国选手张山获飞碟射击金牌霰弹出膛后飞行状况射击运动历史上最不可思议的人物要数瑞典老英雄斯旺了。他61岁上参加1908年伦敦奥运会并获得跑鹿靶金牌。73岁高龄时，又在安特卫普奥运会上为瑞典队夺取银牌出扛鼎之力。斯旺的传奇故事雄辩地验证了射击比赛中心理和经验的作用远远超过体能。六朝元老王义夫同样创造了中国大龄选手奥运会夺冠的纪录。对于用金子培养出来的30年或50年一遇的天才运动员，过早退役实在是人才的极大浪费。不念英雄江左老，用之可以尊中国。宋代词人辛弃疾遥远而沉重的感慨应该是一个现实而紧迫的提醒。上一篇：体操ABCDE 标签：奥运 , 射击 , 科学 , 科技之光; 个人分类: 奥运|1654 次阅读|0 个评论

看完热闹看门道——奥运中的科学（十六）: songshuhui 2008-9-4 14:21; 科学松鼠会发表于2008-01-16 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。作为高效率的能量转换器，弓能够把70%至80%的弹性势能转化为箭的动能，剩余的能量则变成弓的阻尼震动。射箭的弦外之音白、黑、蓝、红、黄，这些五色相间的同心圆便是射箭竞技场上的众矢之的。箭靶的直径为122厘米，称为牛眼的靶心直径仅12.2厘米。运动员要从90米开外射中10环，相当于站在足球场一个球门去射中对面球门里的一只苹果。或者说，整个靶子的大小看上去就像眼前的一枚图钉。要想做到百步穿杨、箭无虚发，的确不是件容易的事。世界上很难找到一个民族，历史上从来不使用弓箭。丘比特的金箭和铅箭管辖着天上人间的爱情，罗宾汉靠神箭劫富济贫，后羿则箭射九日改造生态环境，东西方有多少神话与传说都和弓箭有关。在热兵器问世前的漫长岁月里，弓箭一直是最具威力的军事装备。从狩猎工具到战争武器再到体育运动，弓箭在人类文明中的角色发生了根本变化。 1908年伦敦奥运会女子射箭比赛 1900年巴黎奥运会上，射箭已经是老资格的体育竞赛项目，旧式的长弓仪态优雅，并成为女子进入现代奥运会的先声。由于各主办国没有统一的竞赛规则，致使射箭运动从1920年安特卫普奥运会后被取消资格。应该深深感谢英吉.布瑞斯女士，在这位唯一的国际单项体育联合会女性主席领导下，国际箭联经过不懈努力，终于使射箭运动在1972年重返奥运大家庭。美国男子队曾在亚特兰大奥运会上囊括了个人和团体冠军，明星射手麦金尼被誉为箭坛的常青树；东方箭霸韩国的梦之队也在奥运会上尽领风骚，人称射箭机器的金水宁一度成为世界女子箭坛的领军人物。中国姑娘何影和她的伙伴们在2001年第41届世锦赛上首次赢得了女子团体冠军。在射击运动中，子弹的飞行靠火药或压缩气体推动。射箭的一切力量则完全来自人的体能。今天奥运会使用的反曲弓仍是传统弓箭的嫡亲子孙，由刚性的弓柄、弹性的上下弓片和坚韧的弓弦连接而成。在运动员持弓臂和拉弓臂的作用下，弓弦上的张力使弓片外侧产生拉伸形变，内侧产生压缩形变，从而带来弓片的弯曲，将肌肉收缩的力量变成弓的弹性势能贮存起来，然后突然释放推动箭的飞行。弓实际上是一个能量转换器，把人的生理能量转化为箭的动能。在弓片弯曲过程中，各截面承受的力矩是不同的，离弓柄越远应力就越小，这也是反曲弓将弓梢设计成反曲形的原因。古人已经深谙挽弓当挽强的道理。射箭比赛中男选手开弓的平均力量约50磅，女选手约35磅，一次常规的世锦赛，需要在4天双局中搭弓射箭288次，男选手用力累计将近8吨，女选手超过5吨。而一个举重运动员一次比赛不过累计举起1.5吨。可见射箭是多么沉重的力气活。更加艰巨的是，射箭选手大部分时间处于引而不发，跃如也的状态，对弓箭系统的水平支撑力和对身体站立的垂直支撑力构成十字形用力结构，端身如干，直臂如枝，这种高水准的静力平衡实在非一日之功。射箭瞄准之所以比射击瞄准难度更大，还由于弓上只有准星，而没有照门，因此无法像枪支那样找到现成的瞄准基线。假设我们以靶心为原点作水平方向X轴和竖直方向的Y轴，当靶心、准星、弓弦边缘和眼睛处于同一条直线时，箭飞行方向的竖直平面应该和弓平面一致，并与靶上的Y轴重合，使射出的箭向Y轴集中。那么，又该如何确保射出的箭向靶上的X轴靠拢呢？当运动员每次拉弓时，都会把扣弦手指放在下颌骨右侧精确的位置上，有些射手在弓弦上安放一个小小的吻钮，通过嘴唇对它每箭一吻，让弓弦靠住鼻准、人中、下巴的中点，这种靠弦法确保了从箭尾槽到瞄准眼之间有一个固定的靠弦距，于是瞄准线通过弓弦的一点便成了弓上的第二个基准。箭射出去的高低上下就便于控制了。确保用力的直线性是射箭技术的要领之一。推弓合力点、钩弦点、拉弓臂肘关节中心点应该在一条直线上。运动员持功时不能用全掌握弓而用虎口推弓，便是为了尽量确保手和弓之间近似的点接触而不是宽大的面接触。反曲弓一个看上去并不起眼的小零件叫做信号片，却称得起射箭运动历史上具有重大意义的发明。这是弓柄上用来压住箭杆的一只钢片，当射手拉弓到位时箭头滑出，钢片便在回弹中敲击弓柄发出清脆噼啪声。信号片能准确监视运动员每次拉弓深浅不变，确保弓臂保持相同张力，不啻以声控操作捕捉最佳撒放时间。射箭运动中最讲究动作的一致性，每个选手经过千锤百炼形成的技术必须高度固定化、程序化，像机器一样准确无误和循环重复，任何时候都不走样和变形。人们常用离弦之箭形容速度之快。反曲弓射出的箭初速度约每小时240公里，超过了子弹头列车。箭的速度取决于弓的力量和效率，箭的形状、重量和表面积。用不同方式粘成的箭羽能使箭绕纵轴旋转并确保飞行稳定。作为长度和直径比很大的飞行体，来自弓弦的加速度会使箭杆产生柔性弯曲和弹性震动，降低飞行稳定性。不过和射击相比，箭的行动就太迟缓了，速度只是子弹的十分之一，需要大约1秒钟才能达到70米开外的射程。如果初速度方向正对靶心作平抛运动，由于地球的引力作用，箭到达靶位时会下落将近5米。因此射箭必须有一个仰角，让箭作斜抛运动，使弹道成为一个拱起的抛物线。难怪箭靶的放置都和地面垂直方向成15度角，以仰视的姿态去面对万箭穿心了。顺便一提，当今箭靶将盘卷的草绳缝合起来再蒙上靶纸，用的还是当年诸葛亮草船借箭的材料。箭靶和垂直方向成15度角作为高效率的能量转换器，弓能够把70%至80%的弹性势能转化为箭的动能，剩余的能量则变成弓的阻尼震动。根据科学史专家研究，人类早期弦乐器的出现就是受了弓弦震动能发出声音的启示。至于弹棉花的弓就更一望而知是其来有自了。安装在反曲弓上这些错杂的棍棒叫做减震器，就是为了增加弓的静止惯性和转动惯量，从而减少撒放时弓体的位移和震动。并且达到配重效果，让弓箭系统的质量中心更靠近推弓点以保持平衡。复合弓 1995年在雅加达举行的第38届射箭世锦赛上，历尽艰辛坎坷的复合弓终于被国际箭联批准为正式比赛项目。这是1969年由美国人艾伦发明的真正意义上的现代弓，它的创新之处却恰恰是把人类两项最古老的发明轮子和弓箭结合到了一起。复合弓在上下弓片末端安装了偏心轮，利用动滑轮的杠杆原理，使开弓力量达到最大值后，随着拉距增加反而变得越来越省劲，满弓时用力可减轻70%。这不仅使运动员能在更轻松舒适的状态下持弓瞄准，也使女子可以跨越体力的鸿沟，和男子一样使用硬弓。比较一下反曲弓的张力曲线，由于和拉距的增加成正比，撒放时弓弦作用于箭的力量是突然的和递减的。而复合弓对箭的加速力量则从小到大，渐次趋向峰值，有效工作距离也相应延长，因而能使箭的离弦速度更快，飞行弹道更平直。此外，复合弓不再用三个手指勾弦撒放而是扣动扳机让撒放器代劳，光学瞄准器和气泡水平仪的使用更极大提高了箭射出的精度。复合弓处处凝结着科学的智慧，近年来迅速风靡全球，销售额已经占据世界弓箭市场的90%以上，成为弓箭家族最兴旺的主流。尽管奥运会至今仍没有接纳复合弓为正式比赛项目，但2008年在北京举行的第13届残奥会已经向复合弓首次亮起了绿灯。更多形形色色的射箭比赛每年都在全球各地蓬勃开展，射远比赛每组射6支箭以最佳成绩为准，手持弓的世界纪录达到1220米；地靶比赛以地面上竖起的标杆为圆心画出15米直径的大靶，选手们从百米开外射出36箭决定胜负。骑马射箭仍是不少民族喜爱的传统竞赛项目，滑雪射箭正式进入冬奥会则已成定局，在争荣并茂的现代体育之林中，射箭运动旺盛的生命力正与日俱增。从古老作坊的能工巧匠到现代企业的高科技设备，从竹片、牛角、木杆到铝合金、玻璃钢和碳纤维，人类几千年来一直没有停止过制造弓箭。我们也许不免陷入对往昔的怀旧和对文明的追寻。弓箭来自我们原始的祖先，并将传给遥远的子孙。上一篇：靶场风姿标签：奥运 , 射箭 , 科学 , 科技之光; 个人分类: 奥运|1878 次阅读|0 个评论

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

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