奧運競技背後的科技角力 神奇泳衣能幫多少?

身穿新鯊魚皮泳衣的美國運動員菲爾普斯

    在這次的北京奧運會上，人們不難發現，各國科學技術的突破也有助於本國健兒在賽場上爭金奪銀。美國《大眾機械》雜誌８月號載文，對這次出現在奧運賽場的新科技做了報道。

 　 神奇泳衣能幫菲爾普斯多少？

    美國選手菲爾普斯的身體天生是一台游泳機器，兩臂展開達兩米，比身高還長７．６釐米；軀幹也比０．８米的腿長出許多，測試結果顯示，他的肌肉運動後産生的乳酸比多數運動員少得多，這使他更有耐力，他的肘、膝和踝關節也很靈活。他每天都堅持在水中訓練４小時以上。如此的天賦加刻苦，使菲爾普斯在２００４年雅典奧運會上獨得６枚金牌。但要打破同胞斯皮茨１９７２年慕尼黑奧運會上奪得７枚金牌的紀錄，恐怕還需要新科技的幫助。

    一次２００米自由泳，運動員的速度可以達到６．１公里／小時，為了對抗自身産生的阻力，需要消耗２９０千焦耳的能量（約７２大卡的熱量）。為了減少人體阻力，不少游泳選手甚至剃掉全身體毛。但研究發現，即使是裸泳，阻力反而比穿泳衣大９％。１９５０年出現的尼龍泳衣，１９７６年出現的聚氨酯纖維泳衣，都有助於將身體繃緊成流線型，以減小水中阻力。但真正的突破是１９９８年英國運動員在英聯邦運動會上首次使用的“鯊魚皮”泳衣。以特氟綸纖維製成的這種泳衣，表面模倣了鯊魚表皮成排的脊柱形小突起，能更有效地使身體周圍的水流走，減少阻力。１９９９年１０月，“鯊魚皮”泳衣正式獲得國際泳聯認可，２０００年就被澳大利亞游泳名將索普用到了雪梨奧運會上，他獲得４００米自由泳金牌、２００米自由泳銀牌、４１００米、４２００米自由泳接力金牌，“鯊魚皮”立下了汗馬功勞。

    菲爾普斯為北京奧運會帶來的新泳衣，是英國“速比濤”（Ｓｐｅｅｄｏ）公司的ＬＺＲ　Ｒａｃｅｒ，售價２９０～５５０美元。自今年２月出現以來，身穿ＬＺＲ　Ｒａｃｅｒ的選手已經打破了３７項世界紀錄，這種神奇的“鯊魚皮”功不可沒。

    這些最新型的“鯊魚皮”泳衣從肩到腳跟緊貼皮膚，看上去像個沒有披斗篷的超人。它的首要功能是包裹住乳房和臀部等會在水中晃動增加阻力的部位，人要把自己擠進這套泳衣得花不少時間。除了減少阻力，它們還能使游泳者的下半身處在更水準的位置。

    當然，在美國航太局（ＮＡＳＡ）的風洞裏測量泳衣織物的摩擦系數，建立身體顫動的流體力學模型是一回事，在泳池裏劈波斬浪力爭金牌又是另一回事。提高零點幾秒就能決定菲爾普斯到底拿幾塊金牌，但這裡面有多少歸功於“鯊魚皮”泳衣，很難準確計量，因為競技運動永遠是個人天賦、訓練程度和新奇裝備的融合。

    大迴環動作中的力學奧妙

    體操是優美與力學結合的典範，即使只是一個簡單的高低杠大迴環（體操項目中高難度空轉机體動作），運動員和手中柔韌的杠之間，也蘊藏著複雜的力與能量的轉換。

    大迴環時，選手從杠上倒立位置開始下落。由於手與杠之間的摩擦，將使迴環速度略有降低，前半圈的角速度接近２７５度／秒。但就在這前半圈裏，運動員必須為進入向上的半圈積累足夠動能，尤其是在下一圈需要完成飛行動作或進入一連串空翻下杠時。因而她們必須在向下的半圈裏將能量傳遞給柔韌的碳纖維杠，在向上的半圈裏又吸收能量，增加迴環速度。

    為補償下落時迴環速度的損耗，高低杠女選手會運用一個“輕甩”動作。在略為翹臀收腿，避開低杠的同時，也縮短了旋轉的力臂，使自己的重心儘量接近旋轉中心，增加了旋轉能量。在一圈迴環的底部，選手身體向下的加速度可以達到４～７倍重力，手中的高杠最多能被拉離中心線２７釐米。然後，她們放鬆臀部、骨盆和腹部，將腿部向前擺，甩入向上的半圈迴環。如此利用角動力，她們能使自己旋轉的角速度增大到約３０４度／秒。這也是為什麼高低杠大迴環動作只能從前半圈經過低杠的方向完成，無法反其道而行之的道理。

    撐桿跳材料很關鍵

    在１９９４年義大利舉行的國際田聯大賽上，由烏克蘭名將謝爾蓋布勃卡創造的６．１４米的撐桿跳高世界紀錄，至今已沉寂１４年之久，在北京奧運上這個紀錄能否突破，其中８５％在於物理和材料學，另１５％在於身體技能。

    木桿時代的撐桿跳成績只有３．３０米，１９０５年用竹竿達到４．７７米，１９３０年用金屬桿提高到４．８０米，但真正的突破還是在１９８５年，後來被譽為“撐桿跳高沙皇”的布勃卡，借助一種用玻璃纖維、合成樹脂以及超柔軟、超強度纖維混合製成的現代化撐桿，使撐桿跳一舉突破６米大關。如今的每一根撐桿都專門根據使用者的體重和身高設計，由三層玻璃纖維和樹脂灌注的碳纖維布製成。經過加熱，這些東西就形成一種輕型複合材料，外層決定著它的強度，兩個內層決定著它的力量和柔韌性。

    運動員跑得越快，他傳遞給撐桿的能量就越多，最理想的是在１０步或１２步達到最高速度。為在助跑距離內積累起足夠抬起自己的動能，身高１．８７米的美國撐桿跳世界冠軍布拉德沃克爾，需要至少以１１．９３米／秒的速度助跑。將撐桿以１８度傾角插入鬥內，撐桿將被彎曲到原有長度的約７０％，形成１２０～１６０度的弧形，這取決於運動員的身高和動量。然後，撐桿將像彈簧一樣，彎曲的撐桿將能量以動能的形式還給運動員。這４１９５焦耳能量被從水準面轉移到垂直面，可將運動員拋到５．０９米高度。在杠頂剩下的１米多，運動員扭轉身體，形成俯臥，同時將自己的重心向上推。這一系列動作技術其實與體操類似，比如蜷身、翻滾和倒立。

　　跳板跳水起跳有玄機

    跳板跳水運動員總是以空中特技令人目眩，但結局往往在走向板頭那短促的幾步之內，就已經決定了。利用前幾步積累的動量，運動員一般在距板頭０．３米的位置向空中躍起，落下時的壓板能産生約５０００牛頓的機械力。回彈的跳板能將運動員以１９．７９公里／小時的速度拋向空中，使他達到距水面５．４９米的高度。這不光能給他１．５秒的飛行時間，也給了他完成動作所需要的旋轉力。

    皮划艇怎樣騙過逆流水門

    北京奧運會皮划艇比賽在順義奧林匹克水上公園舉行，美國的三屆奧運會皮划艇選手斯科特希普利稱，這是“力量、平衡能力和注意力”的一次較量。比賽中，皮划艇選手必須通過懸浮在水面（水流速度大約為每秒４．５７米）上的１８～２５道門，其中最難的部分無疑當屬逆水門，由於是“逆水行舟”，小小的失誤就可能造成滿盤皆輸。

    選手一般以順流側滑的姿態接近這個水門，當艇身從門桿下經過，進入漩渦時，選手把槳插入水中，使船尾擺回來。在順義的水上場地，這一段逆流漩渦的流速為２．７４米／秒。由於只需選手的頭部經過水門即可，多數選手會將艇從內側門桿下滑過，同時用自己的軀幹繞過內側門桿，這是一個小小的竅門。但如果選手轉彎時的角度稍有零點幾度的偏差，向下的水流就會將艇打翻。動作正確的選手在轉彎時的過載大約是１．５ｇ。一旦越過水門，選手就必須向後靠，使艇尾下沉，艇首抬起，這樣能使皮划艇的轉彎半徑從３．５５米縮小到約１．５２米。為了重新進入順流，選手用槳插入水中，産生一個扭轉力矩，使艇衝向另一個門。整個這一切過程必須在３．５秒的時間內完成。（吳戈）