運(yùn)動(dòng)器材大演進(jìn)

讓殘障人士戰(zhàn)勝健全人

南非著名的“刀鋒戰(zhàn)士”皮斯托留斯天生沒有腓骨，借助奧索公司的假肢參加國際田聯(lián)黃金聯(lián)賽，竟然在400米比賽上跑出了46秒90的小組第二名的好成績，這個(gè)成績甚至已達(dá)到了奧運(yùn)會(huì)女子400米決賽階段的水平。他那條名為“獵豹”的假肢造價(jià)高達(dá)1.5萬英鎊，彈性遠(yuǎn)勝于入體肌肉，而且永不疲倦。正常人后200米的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及前200米，而皮斯托留斯則剛好相反，他在后半程的速度無人能及，算下來比對(duì)手受快1秒34。

由于皮斯托留斯跑動(dòng)所需能量只及健全人的751％，最終他還是被國際田聯(lián)禁止參加北京奧運(yùn)會(huì)。盡管如此，高科技器材讓殘障人士戰(zhàn)勝健全人的事實(shí)無可否認(rèn)，高科技對(duì)競技體育的促進(jìn)由此可見一斑。

現(xiàn)今。世界上約有800多萬種人工化合材料，并且還在以每年25萬種的速度增長，其中輕質(zhì)合金、聚合物、玻璃纖維、碳纖維、陶瓷等被大量用于體育器材的生產(chǎn)和制造。跳水板由波音飛機(jī)的機(jī)翼材料帶Ⅱ成；僅重?cái)?shù)磅的太空材料自行車造價(jià)高達(dá)百萬美元；經(jīng)過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的奧運(yùn)帆船時(shí)速接近50節(jié)極限：聚酯弓弦可使射箭初速提高1倍；采用凱夫拉裝甲材料制成的運(yùn)動(dòng)頭盔等，正可謂“成千上萬的投入，就只為百分之一秒的產(chǎn)出”!

比箭更快的羽毛球和用球

靠人力運(yùn)作的各種運(yùn)動(dòng)里，網(wǎng)球的平均速度最快，而羽毛球的瞬時(shí)速度最快?！叭碎g大炮”羅迪克曾攻出246.2公里／小時(shí)的頂級(jí)ACE球，達(dá)到“歐洲之星”列車和F1的水平；而在2005年的蘇迪曼杯上，曾飆出每小332公里的曠世劈殺，“操刀者”為中國選手付海峰。能夠?qū)崿F(xiàn)這樣高速的發(fā)球，不僅依賴于運(yùn)動(dòng)員的刻苦訓(xùn)練，更是有賴于球拍材質(zhì)的迅猛發(fā)展。早期木制的羽毛球拍質(zhì)地疏松、缺乏彈現(xiàn)場且笨重易折，鋁合金、鈦合金材料的使用讓球拍整體性能大為改觀，此后，更輕捷的碳纖維材料壟斷了羽毛球拍制造業(yè)。而如今的國際先進(jìn)技術(shù)已將納米級(jí)“弗拉綸”粒子滲透到碳纖維原子的間隙中，內(nèi)置的T型接頭把拍框拍把連成一體，強(qiáng)化了整個(gè)球拍的堅(jiān)固性和可控性，同時(shí)配有合成材料制作的拍弦也更加堅(jiān)韌均衡和富有彈性，這些技術(shù)都讓羽毛球的超級(jí)瞬時(shí)速度成為可能。

撥動(dòng)球拍的琴弦

網(wǎng)球拍與羽毛球拍類似，其制作材料也經(jīng)歷了由木材到各種纖維的過程。由于網(wǎng)球重量是羽毛球的4倍，拍線受沖擊更大，運(yùn)動(dòng)員回?fù)粢粋€(gè)時(shí)速200公里的來球受到的沖擊力相當(dāng)于突然舉起110公斤的重物，因此強(qiáng)度大、重量輕的高科技球拍對(duì)保護(hù)運(yùn)動(dòng)員有著不可替代的作用。

另外，目前的高端網(wǎng)球拍多以牛腸線作橫線，人造纖維作豎線組合而成。由于前者的彈性和手感至今無法被人造纖維超越，大牌運(yùn)動(dòng)員都把使用牛腸線球拍看作身份的標(biāo)志。但由于動(dòng)物產(chǎn)品的耐久性差，人們便用尼龍、聚酯、卡夫拉等合成纖維作豎線增加強(qiáng)度，以產(chǎn)生互補(bǔ)效果。

但凡球拍都有個(gè)“甜區(qū)”，這是人體通過球拍最能發(fā)力的區(qū)域。球拍的科技含量高低就體現(xiàn)在甜區(qū)的大小上，此類技術(shù)主要掌握在少數(shù)廠家手中，比如WILSON、PRINCE和HEAD等。由于復(fù)合材料拍框能夠承受比木質(zhì)拍框更強(qiáng)的網(wǎng)線拉力，所以拍頭的面積能做到原來的1.5倍，網(wǎng)線張力提高45％，“甜區(qū)”也就變得越來越大，把飄渺的“甜區(qū)”變?yōu)榈梅众A球的“甜頭”。由此，最陜發(fā)球紀(jì)錄不斷被打破，與其說是選手力氣越來越大，倒不如說是球拍越來越好。

撐桿更好跳得更高

科技對(duì)一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)方式的顛覆和改變，最明顯的例子是撐桿跳高。人類撐桿跳高的紀(jì)錄從2.92米到現(xiàn)在突破6米，絕大部分原因是對(duì)材料力學(xué)的運(yùn)用。最新的碳纖維撐桿共有3層，最外層是強(qiáng)力的碳纖維，這種材料可以保證撐桿既結(jié)實(shí)還有很強(qiáng)的柔韌性，最里層則是繃帶狀的玻璃纖維，它能夠保證撐桿不會(huì)斷裂。

撐桿跳起初不過是古代士兵撐著長矛越過矮墻或跨過溪流的游戲，還有人撐著木桿躍上高大的馬背。由于顯得特別實(shí)用，它在第一屬奧運(yùn)會(huì)中就被正式吸收為比賽項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)的撐桿由山胡桃木制成，結(jié)實(shí)沉重，現(xiàn)在很多實(shí)木地板都是由這種木材制成，同時(shí)它也是做鼓槌的好材料。可拿它做撐桿卻不合適，缺乏彈性、儲(chǔ)能本領(lǐng)差的特性讓選手的動(dòng)能大多被浪費(fèi)，所以跳出的最好成績也只有3.3米。

那么利用撐桿，人類到底能跳多高呢?我們先來做個(gè)小計(jì)算。撐桿說白了是個(gè)能量轉(zhuǎn)換器，把人的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢能，速度轉(zhuǎn)化為高度。根據(jù)能量守恒定律可以大致計(jì)算出撐桿跳的極限高度。如今人類的瞬時(shí)速度最高為博爾特在2009年柏林世錦賽百米沖刺時(shí)創(chuàng)造的43千米／小時(shí)，假設(shè)動(dòng)能完全沒有損失，將其全部轉(zhuǎn)化為勢能，博爾特將能越過7.28米的桿。但撐桿跳選手不是百米飛人，何況要手握橫桿，跑出10米／秒已相當(dāng)不易，所以合理的極限高度在5.1米左右。

超越理論極限

竹竿取代木桿，是撐桿跳歷史上的重大進(jìn)步。竹子中空，比木頭要輕，利于助跑，竹子的彈性更提高能量的轉(zhuǎn)化效率，竹竿在提高成績方面是名副其實(shí)的“立竿見影”。

二戰(zhàn)后。由鋼鋁合金和玻璃纖維制成的撐桿先后出現(xiàn)。1963年，世界紀(jì)錄超過5.1米的極限，達(dá)到5.28米。既然是極限，為什么還能被超過?這是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員騰空后并非無所作為地等待拋擲，而是繼續(xù)動(dòng)作：懸垂擺體、后仰舉腿、引體倒立……借助“強(qiáng)弩之末”的撐桿重新獲得能量，故而能越過的5.1更高的橫桿，這也是有人把撐桿跳高比作“跳高加體操”的原因。

玻璃纖維桿由于重量大大減輕，運(yùn)動(dòng)員持桿助跑速度猛增；柔性纖維落地不是硬碰硬，更像是壓縮彈簧，把動(dòng)能先化為彈性勢能再化為重力勢能。彎曲性能良好的桿讓人與支點(diǎn)距離更近，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑明顯縮短，豎起的力矩大大減少，以前只敢握在橫桿的4米位置，現(xiàn)在則敢握在5米位置了，成績自然會(huì)提高。

烏克蘭“撐桿跳沙皇”布勃卡就是用玻璃纖維桿超越的6米大關(guān)，1994年，他在意大利叉一舉越過6米14，幾乎是第一屆奧運(yùn)會(huì)撐桿跳高度的2倍。如今撐桿發(fā)展到了第四代，玻璃纖維和尼龍已經(jīng)被性能更優(yōu)越的碳素纖維和復(fù)合材料取代，而且撐桿會(huì)根據(jù)受力差異來設(shè)計(jì)不同部位的材質(zhì)，讓整體性能最優(yōu)。

號(hào)稱“女布勃卡”的俄羅斯運(yùn)動(dòng)員伊辛巴耶娃也是碳纖維桿的受益者，早期的體操基本功不但賦予了她過人的膽量，也使她嫻熟地掌握了撐桿跳中的技巧，把“雙鐘擺”效應(yīng)(指人與撐桿以桿觸地一端為支點(diǎn)進(jìn)行第一層擺動(dòng)，而人在桿上又以肩關(guān)節(jié)為支點(diǎn)進(jìn)行第二層擺動(dòng))發(fā)揮得淋漓盡致，最終成就了她無人能及的5.05米記錄。

千掉自行車的空氣阻力

通常來說，人體的最大功率約為700瓦，但優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員卻有可能超過千瓦，接此計(jì)算，騎自行車的時(shí)速能夠達(dá)到80公里，但現(xiàn)實(shí)卻是世界冠軍的車速也不過就是60公里。這是因?yàn)椋诠饣教沟牡缆飞?，制約自行車速度有一個(gè)最大的因素：空氣。而且空氣造成的風(fēng)阻和速度的平方成正比，當(dāng)車速度達(dá)到每秒11米時(shí)，空氣阻力便占前進(jìn)總阻力的80％，而當(dāng)時(shí)速達(dá)到50公里時(shí)，這個(gè)比例上就會(huì)升到90％。

減少空氣阻力最有效的措施是減少人與車在前進(jìn)方向上的截面積，這取決于人的騎姿和車身形狀。雖然有人曾設(shè)計(jì)過最符合空氣動(dòng)力學(xué)的“斜躺式”自行車，但目前尚未被國際自行車聯(lián)盟承認(rèn)，要想?yún)①愡€得騎傳統(tǒng)模樣的自行車。所以民間管賽車又叫“趴賽”，因?yàn)檠蚪前训脑O(shè)計(jì)拉低了坐姿，好像趴在車上一樣，大大減少了截面積。而車架管材截面從圓形改為水滴形，選手佩戴水滴形頭盔以及穿著光滑的緊身賽服等，也都是考慮到形狀對(duì)空氣動(dòng)力的影響。

更重要的是減重

更高級(jí)的技術(shù)在于減重，重量是提高速度及加速度最大的障礙。從木制自行車，到鋼制自行車，再到曾被稱為“唯一合適材料”的鈦材料自行車。直到最終的碳纖維車的問世，自行車的發(fā)展一直遵循著“保持車身強(qiáng)度的前提下減輕重量”的原則。1992年巴塞羅那奧運(yùn)會(huì)，鮑德曼為英國隊(duì)奪得72年來的第一塊自行車金牌，他的那輛全碳素自行車總重還不到9公斤，而一輛永久牌的自行車則最重達(dá)50公斤!

比車架影響更大的是車輪重量。沉重的車輪會(huì)產(chǎn)生巨大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這就是為什么賽車車輪只有指頭般粗細(xì)的原因。為了減重就要錙銖必較，甚至胎內(nèi)充氣都要改用氦氣，氦氣的分子量比氫氣大不了多少，比空氣可是要輕多了。

另外還有輻條，場地賽車通常不用輻條，而是沒有縫隙的盤狀車輪，這似乎不太符合減重的初衷，但輻條在轉(zhuǎn)動(dòng)中會(huì)攪動(dòng)巨大的氣流漩渦，所以運(yùn)動(dòng)員總抱怨車條就像攪蛋器，更何況車輪頂部的速度是車速的2倍，阻力是車輪底部的4倍。封閉設(shè)計(jì)能減少渦流。風(fēng)洞試驗(yàn)表明，自行車在50公里時(shí)速下，阻力每減少1％，每10英里就能領(lǐng)先15米!

在體育運(yùn)動(dòng)中，還有更多的項(xiàng)目，正在被科技重新塑造。