劈波斬浪走蛟龍

科技之光

游泳是奧運會上最氣韻流暢又喧騰激揚的競賽項目。蛟龍出水般的爬泳，浪翅翻飛的蝶泳，枕濤臥波的仰泳，“能屈能伸”的蛙泳，在8條蔚藍(lán)色的泳道各展風(fēng)姿，金牌銀牌同樣決勝于百分之一秒間。2008年3月在荷蘭埃因霍溫舉行的歐洲游泳錦標(biāo)賽上，法國選手阿蘭.伯納德以47秒50的成績刷新100米自由泳世界紀(jì)錄；接著在悉尼舉行的奧運選拔賽中，澳大利亞選手蘇利文以21秒28的成績創(chuàng)造50米自由泳世界紀(jì)錄。這是當(dāng)時人類靠自身力量在水中達(dá)到的最高速度。

雖然游泳競賽項目和奧運會同齡，但前三屆設(shè)置過的20個單項已有85%被淘汰，可見百年間游泳的變遷之大。早期的自由泳是指“八仙過?！钡娜我庾藙?，但由于爬泳速度最快，于是運動員便無一例外的選擇爬泳，以至于自由泳成了爬泳的代名詞。二十世紀(jì)早期，出身于澳大利亞游泳世家的卡維爾對民間樸素的“狗爬式”進(jìn)行了系統(tǒng)改造（圖１）。1924年巴黎奧運會上，后來成為好萊塢明星和“人猿泰山”扮演者的美國選手維斯穆勒首次在百米賽中突破1分鐘大關(guān)，并創(chuàng)造了兩臂輪流劃水一次、兩腿打水六次的標(biāo)準(zhǔn)爬泳動作（圖２）。蛙泳則經(jīng)歷了更多的嬗變，1956年墨爾本奧運會以后，隨著國際泳聯(lián)新規(guī)則的出臺，潛水蛙泳最后的繁盛隨波而逝，新生的蝶泳則正式從蛙泳的支脈中“破繭而出”，自立門戶，從此形成了泳壇“四大家族”的穩(wěn)定格局。

（１）澳大利亞的卡維爾對“狗爬式”游泳進(jìn)行了系統(tǒng)改造并應(yīng)用于現(xiàn)代游泳

（２）美國選手維斯穆勒在1924年巴黎奧運會上創(chuàng)造了標(biāo)準(zhǔn)爬泳動作

人在水中為什么能夠不下沉？其實人體70%的成分是水，平均密度在0.96至1.05之間。男人和女人，老人和孩子，胖子和瘦子，呼氣和吸氣的人體密度都略有不同。一個標(biāo)準(zhǔn)身材的成年人受浮力作用，頭露出水面時的體重大約3公斤（圖３）。不過身體浮力的合力點即“浮心”由身體浸入水中各部分的幾何中心決定，和人體重心并不重合，上體因比重小而趨于上浮，下肢因比重大而趨于下沉，會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩。如果將手臂平伸過頭就會使浮心和重心更加靠近了（圖４）。

（３）浮力與重力作用在人體示意圖

（４）人體的浮心與重心示意圖

為什么百米短跑比百米游泳快得多？因為地上和水里的運動機(jī)制完全不同。田徑運動員靠腳蹬地面產(chǎn)生反作用力奔跑，地球同時被腳掌“蹬開”的距離可以忽略不計。而人在水中游泳卻沒有固定的支撐，只能靠推動一定質(zhì)量的水向身后作加速度運動，使自己借助反作用力前進(jìn)。揮動的雙臂和踢打的兩腿如同“螺旋槳”，是產(chǎn)生推力和升力的引擎。加大“馬力”的基本原則是劃水和蹬夾水的速度要盡量快，用力方向的肢體投影面積要盡量大。兩屆奧運會上五奪金牌的澳大利亞游泳名將索普天生一雙蒲扇般大手和47碼的大腳，使他相當(dāng)于戴了一副小號的手板和腳蹼。2008年北京奧運會上獲得８枚金牌的美國泳壇領(lǐng)軍人物菲爾普斯也因為生就一副“大手大腳”在水中占盡了便宜（圖５）。而要提高用力的效率，減少體能的浪費，還要有正確合理的姿勢、手形、迎水角度和劃水路線。

（５）有著超長手臂的美國泳壇名將菲爾普斯被譽為“泳壇神童”

游泳運動員獲得推進(jìn)力后，必須在水中沖破“三大阻力”。其中的首屈一指的便是“壓差阻力”。水的密度是空氣的773倍，粘滯性是空氣的55倍。運動員把不可壓縮的水“擠”開后從中間穿越，水便繞著人體流向身后并產(chǎn)生漩渦，形成前后的壓力差（圖６）。身體縱軸越長，越接近流線型，迎水截面積越小，壓差阻力就越小。這就是為什么優(yōu)秀的游泳運動員都有修長的體型，前進(jìn)中盡量保持身體與水面平行，自由泳和仰泳要滾動身體防止側(cè)擺，蛙泳要減少還原動作的幅度。有經(jīng)驗的教練員說，“要想象自己是游在一個管子中?！?/p>

（６）水流與人體壓差阻力示意圖

因為人既不像魚類那樣游在水下，又不能像鴨子一樣浮在水上。我們游動在水和空氣的界面，于是便不得不耗掉一部分體能去激起重重波浪。運動員在這種弓形波浪中游泳，如同“舉著”一定重量的水前進(jìn)，這便是位居第二的“波浪阻力”。留心觀察一下輪船頭部，吃水線以下做成球狀便是為了產(chǎn)生反相波，和船身激起的波浪相抵消，從而減少波浪阻力。游泳池里分隔泳道的小轉(zhuǎn)輪也是為了消除相鄰選手間的波浪干擾。潛水式蛙泳之所以速度更快就是因為一個“猛子”扎在水底躲過了波浪阻力，所以才被認(rèn)為有違公平并不利于觀賞而遭取消。不過今天奧運會的蛙泳比賽仍允許出發(fā)和轉(zhuǎn)身時潛水蹬劃一次，成了潛水蛙泳僅存的遺跡和運動員決不會錯過的加速時機(jī)。

“摩擦阻力”是游泳運動的第三個束縛。由于水具有粘滯性，游泳時附著在身體表面的水分子便會依次帶動相鄰層面的水分子前進(jìn)，這個“邊界層”中水分子的內(nèi)摩擦產(chǎn)生“摩擦阻力”。游泳運動員中盛行的“刮體毛”就是因為摩擦阻力和身體表面積及粗糙度成正相關(guān)。

游泳時的三大阻力并非一成不變，隨著速度增加，摩擦阻力按線性增加、壓差阻力按平方增加、波浪阻力按立方增加，但由于主導(dǎo)部分始終是壓差阻力，因此總阻力基本和速度的平方成正比。不過千萬別以為水的阻力越小越好，如果抱水、抓水、劃水、蹬水、打水的時候沒有阻力就會讓兩手撲空、兩腿打滑而失去一切動力。簡單的訣竅是，凡推進(jìn)身體向前的“有效動作”都要充分利用阻力，凡阻礙身體向前的“無效動作”都要盡量消除阻力。自由泳之所以最快，就是因為身體平直、速度均勻、S型劃水、空中移臂等優(yōu)勢，而蛙泳之所以最慢則由于體態(tài)相對傾斜、速度忽快忽慢、收腿伸臂等還原動作必須在水中完成。不過蛙泳卻從來是最普及和最具實用性的游泳姿勢。

（７）早期游泳衣增加了游泳者的阻力

讓時間回到奧運會之初，用棉織平紋布和羅紋布制成的游泳衣松懈又兜水，帶來很大的阻力（圖７）。羊毛和絲綢的面料漸漸使游泳裝更加緊湊和貼身。而荒唐陳腐的道德觀念曾一度將游泳服視為異端。第7屆安德衛(wèi)普奧運會上奪得3項游泳冠軍的美國“女飛魚”布萊特雷因在海濱穿短褲游泳而遭逮捕，“道學(xué)家”給她安的罪名是“有傷風(fēng)化”。1975年，荷蘭學(xué)者在船槽中把穿與不穿游泳服進(jìn)行對照試驗，發(fā)現(xiàn)穿游泳服比裸泳的阻力減少7%。原因是人作為四肢動物，經(jīng)過這種“包裹”和覆蓋，能夠使全身曲線更加平滑和接近流線型，自此游泳服的“穿脫之爭”告一段落。1988年漢城奧運會上，美國隊的“大力士”游泳服備受矚目，聚氨酯纖維和超細(xì)尼龍纖維不僅使游泳服的重量再度減輕，雙向伸縮性和整體平滑度都達(dá)到一時無兩的完美。到了二十世紀(jì)九十年代，無論從質(zhì)地材料到設(shè)計制作理念，游泳服都進(jìn)入了全新的快速發(fā)展時期。

2000年悉尼奧運會成了鯊魚皮游泳服的“大秀臺”。澳大利亞泳星索普和他的隊友身披一襲黑色的連體緊身泳裝，英姿勃發(fā)，形貌奇特，宛如碧波中勇猛的鯊魚。這種游泳服按照激光測量的運動員身體數(shù)據(jù)進(jìn)行三維設(shè)計，用不親水的特氟綸纖維精制而成，將運動員從脖頸到手腕、腳踝包個嚴(yán)實。它的核心精華是，仿照鯊魚皮膚真實的結(jié)構(gòu)，在游泳服表面排列了百萬個細(xì)小的棘齒。當(dāng)水分子沿著這些棘齒流過時，會產(chǎn)生無數(shù)微型的渦流，使得“邊界層”的分離點推后，從而延遲和弱化尾渦的形成（圖８）。這是一筆合算的交易，增加小額的摩擦力，減少大額的壓差阻力。表面光滑的高爾夫球一桿只能打出幾十米，而布滿500來個圓形或六邊形小坑的“麻臉”高爾夫球卻可以打到200米開外。鯊魚皮游泳服上小棘齒正是起著“麻子”的作用。

（８）顯微鏡下的鯊魚皮與泳衣

盡管對鯊魚皮、青蛙皮等仿生學(xué)游泳服的質(zhì)疑和爭論遠(yuǎn)未平息，全世界第一流商家卻都在傾注大量財富和心血，為開發(fā)新一代游泳服暗中角力和較勁。其實競爭的目標(biāo)也許就是把游泳成績再提高十分之一秒，但這對于決定運動員究竟是載譽而歸或是無功而返，可能已經(jīng)足夠了。