體育場(chǎng)上的高科技神器

孫世杰

智能足球——給裁判一雙慧眼

喜歡足球的人，大都知道讓人糾結(jié)的“門線懸案”。

2011年4月英超聯(lián)賽，切爾西隊(duì)迎戰(zhàn)熱刺隊(duì)。球員蘭帕德一腳勁射，足球直奔球門，對(duì)方門將戈麥斯側(cè)身把球“撈住”。這時(shí)，邊裁卻吹響哨子，示意足球越過(guò)門線，于是蘭帕德進(jìn)球得分。但是許多觀眾卻發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)足球似乎并沒有完全進(jìn)入球門線，因此引發(fā)爭(zhēng)議。足球到底是進(jìn)了球門還是沒進(jìn)？有時(shí)候憑借肉眼無(wú)法做出精確的判斷，導(dǎo)致雙方意見不一，此類事件被稱為足球場(chǎng)上的“門線懸案”。

“門線懸案”不但有礙比賽公平，還影響足球比賽的觀賞價(jià)值，更容易引發(fā)各種足球沖突。有些球迷往往因傾向于自己支持的球隊(duì)，對(duì)“門線懸案”做出有利于自己球隊(duì)的判斷，雙方互不相讓，引發(fā)互毆的球場(chǎng)騷亂。更嚴(yán)重的是，“門線懸案”還可能引發(fā)命案：在足球場(chǎng)上因“門線懸案”無(wú)法做出正確判斷的裁判，常常會(huì)收到一些極端球迷的死亡威脅。

英國(guó)是足球的發(fā)源地，所以英國(guó)憑借對(duì)足球運(yùn)動(dòng)強(qiáng)大的“責(zé)任感”研制出一種可解“門線懸案”的智能足球。這種智能足球看起來(lái)和普通足球沒有什么兩樣，但其內(nèi)部配置和制作的材料帶有鮮明的高科技特征。

先看智能足球的內(nèi)部。普通足球內(nèi)部空空如也，智能足球內(nèi)部加裝了一套微電腦系統(tǒng)。這種微電腦系統(tǒng)非常結(jié)實(shí)耐用，粘在足球內(nèi)部，踢不碎摔不壞，最主要的功能是利用GPS系統(tǒng)對(duì)足球進(jìn)行毫米級(jí)的精確定位。借助GPS定位功能，智能足球在球場(chǎng)上的空間位置可以得到非常準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)標(biāo)記。當(dāng)足球完全進(jìn)入門線時(shí)，定位系統(tǒng)立即向裁判傳遞“射門成功”的信號(hào)，裁判依此結(jié)果可做出非常準(zhǔn)確的判斷。

再看智能足球的制造材料。普通足球是用普通橡膠制成的，而智能足球是用一種特別的可以變色的高科技橡膠制成的，這種橡膠里添加了一種硅質(zhì)材科，可以在電信號(hào)的刺激下變色。當(dāng)足球在門線以外時(shí)，足球的顏色是綠色的，而當(dāng)足球進(jìn)入門線以后，足球內(nèi)的微電腦會(huì)向足球的硅質(zhì)材料發(fā)出“變色”的指令，讓足球由綠色變成紅色。這種智能變色功能，可以讓觀眾清楚地看到足球是進(jìn)了球門，還是沒有進(jìn)球門。如果足球在守門員的阻擋下，產(chǎn)生了似進(jìn)非進(jìn)的狀態(tài)，足球表面就變化成以門線為界的紅綠兩種顏色，裁判員只需要判斷紅色區(qū)域和綠色區(qū)域的大小，就可以判斷這次射門是進(jìn)球有效還是無(wú)效。當(dāng)然，心存疑問(wèn)的球員和觀眾也可以憑足球表面變換出的兩種顏色當(dāng)場(chǎng)驗(yàn)證是不是進(jìn)球有效。

智能變色足球讓進(jìn)球變得不再模糊難斷，裁判結(jié)果將變得公平透明，因“門線懸案”造成的足球危機(jī)也就不復(fù)存在了。

科學(xué)探索

GPS是全球定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，這套系統(tǒng)始于1958年美國(guó)的一個(gè)軍事項(xiàng)目，起初主要為陸海空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)。到1994年，GPS依靠24顆通訊衛(wèi)星協(xié)同工作，將地球表面覆蓋到98%的面積，此時(shí)GPS的應(yīng)用也由軍方拓展到了民用領(lǐng)域，開始為工程施工、車輛定位、防盜反劫、行駛路線監(jiān)控等服務(wù)。目前，GPS的終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控平臺(tái)三個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)要素已經(jīng)變得相當(dāng)成熟，有人戲稱利用GPS系統(tǒng)可以跟蹤一只蚊子的飛行軌跡，意思是指GPS可以讓地球上的每一個(gè)角落再無(wú)秘密可言。

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在警匪片中，常有警察與嫌犯飆車的鏡頭。為了避免與匪徒飆車帶來(lái)的間接傷害，如今已經(jīng)有警察使用一種名為“追擊星”的子彈，只要向匪車射擊，子彈就會(huì)緊緊附著在匪車上，不論匪車逃到何方，“追擊星”內(nèi)置的GPS定位系統(tǒng)都會(huì)向警察發(fā)回精確位置信息，讓匪車無(wú)處可逃。

石墨烯襪——給運(yùn)動(dòng)員的長(zhǎng)跑神器

馬拉松比賽是最艱苦的體育比賽項(xiàng)目之一，需要跑完42.195公里的路程。

跑完全程的馬拉松運(yùn)動(dòng)員有共同的感受，即比賽時(shí)最讓人受不了的是腳的痛苦。一是腳熱燒心。當(dāng)選手跑一段距離后，腳部就會(huì)發(fā)熱變得滾燙，腳下感覺不涼爽，人就會(huì)覺得心煩意亂，這就是腳熱燒心的感覺。二是腳癢難忍。即使是專業(yè)選手，跑完馬拉松全程也需要兩個(gè)多小時(shí)，在這兩個(gè)多小時(shí)的時(shí)間里，腳大量出汗，各種細(xì)菌高速滋生，細(xì)菌滋生產(chǎn)生的刺激物會(huì)讓運(yùn)動(dòng)員腳掌發(fā)癢。有些運(yùn)動(dòng)員不是因?yàn)轶w力不支而離場(chǎng)，而是因?yàn)槟_癢難忍不得不中斷比賽。三是腳脹難耐。馬拉松比賽需要超強(qiáng)的體力，腳是遠(yuǎn)離心臟的器官，在運(yùn)動(dòng)中會(huì)因?yàn)檠翰涣鲿扯兊媚[脹，腳的腫脹除了會(huì)讓人感覺疼痛，還會(huì)讓運(yùn)動(dòng)員感覺疲勞失去耐力。

正是以上這些痛苦影響了馬拉松運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的發(fā)揮。有沒有辦法可以減輕運(yùn)動(dòng)員在長(zhǎng)跑過(guò)程中的痛苦，讓他們?cè)陂L(zhǎng)跑過(guò)程中感覺好受一些，從而大幅度提升比賽成績(jī)呢？辦法當(dāng)然有。德國(guó)一家運(yùn)動(dòng)用品生產(chǎn)公司開發(fā)出了一種石墨烯襪，這種襪子可以從高科技層面，解除長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員的痛苦。

石墨烯襪以石墨烯為主要材料制成。石墨烯是從石墨中剝離出的單層碳原子面材，是目前被稱為超級(jí)材料的高科技產(chǎn)品，它的硬度超過(guò)鉆石，同時(shí)又像橡膠一樣可伸縮，用這種材料制造襪子可謂是耐磨貼腳。石墨稀具有超強(qiáng)的導(dǎo)熱功能，雖然它是非金屬物質(zhì)，但它的導(dǎo)熱性能卻是銅的數(shù)倍。穿著具有超強(qiáng)導(dǎo)熱性能的石墨烯襪，腳部產(chǎn)生的熱量會(huì)快速被導(dǎo)走散失掉，這樣就可以保證運(yùn)動(dòng)員在跑步時(shí)腳下總是保持涼爽，心情就愉悅多了。

石墨烯這種材料被擠壓后還會(huì)產(chǎn)生微電波，微電波恰好能殺死腳部細(xì)菌。因此，運(yùn)動(dòng)員在長(zhǎng)跑過(guò)程中就可以借助石墨烯襪不斷“踩死”細(xì)菌，讓細(xì)菌不至于滋生泛濫，生成有害物質(zhì)造成腳癢難受了。

石墨烯襪能隨運(yùn)動(dòng)員腳步肌肉的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行同向的張縮效果。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員腳部肌肉松弛時(shí)它就舒展，肌肉緊張時(shí)它就收緊，這種貼身的功能，可以幫助運(yùn)動(dòng)員加強(qiáng)腳部血管壓力，像不斷地按摩一樣，近乎完美地促進(jìn)腳部血液循環(huán)，讓運(yùn)動(dòng)員不再感覺到腳部因血液流通不暢而帶來(lái)的腫脹感，可長(zhǎng)久地保持腳下生風(fēng)的耐力。

運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上，不僅是體力的比拼，還有高科技的競(jìng)爭(zhēng)，穿上一雙石墨烯襪，相當(dāng)于擁有了一件長(zhǎng)跑神器，脫穎而出就有了更多的勝算。

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2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈·海姆，以表彰他在石墨烯材料方面的卓越研究。很可惜，這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)與一位中國(guó)博士生擦肩而過(guò)。安德烈·海姆曾經(jīng)說(shuō)：他的實(shí)驗(yàn)室來(lái)了一位中國(guó)博士生，安德烈·海姆讓這位中國(guó)博士生把石墨制成薄膜。三周后中國(guó)博士生用石墨制成了10微米厚，大概1 000層左右的石墨薄膜。安德烈·海姆問(wèn)能否再制得薄一點(diǎn)兒。這位中國(guó)博士生說(shuō)：如果你有本領(lǐng)，你來(lái)試試。面對(duì)這位中國(guó)學(xué)生的叫板，安德烈·海姆決定自己來(lái)制造更薄的石墨片——他用透明膠帶，先粘一小塊石墨、折疊，然后再撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。屢次重復(fù)這一過(guò)程，即可將石墨減薄，最終得到了單層的石墨片，即石墨烯。假如那位中國(guó)博士生按照安德烈·海姆的要求繼續(xù)研究如何制取更薄的石墨片，那么諾貝爾獎(jiǎng)他也會(huì)有份。能成為杰出科學(xué)家的機(jī)會(huì)很多，可是因?yàn)椤皥?zhí)著力”的不同，并非所有人都能把握這樣的機(jī)會(huì)。

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石墨烯只有一個(gè)原子那么薄，它會(huì)成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超微計(jì)算機(jī)。超微計(jì)算機(jī)通常只有塵埃那么大，可以隨風(fēng)飄浮，所以由這些超微計(jì)算機(jī)組成的“塵?！蓖ǔ１环Q為“智能塵?！薄?zhàn)場(chǎng)上的“智能塵?！笨梢员O(jiān)控?cái)橙说囊慌e一動(dòng)，工廠里的“智能塵?！笨梢员O(jiān)控機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，身體里的“智能塵?！笨梢员O(jiān)控人的健康狀況。石墨烯帶來(lái)的超微計(jì)算機(jī)成果，將會(huì)讓人們的生活達(dá)到離奇的智能水平。

低風(fēng)阻設(shè)計(jì)——讓自行車手猶如在真空里飛

自行車比賽越來(lái)越成為運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上一項(xiàng)奪人眼球的比賽項(xiàng)目。運(yùn)動(dòng)員能以每小時(shí)140公里的速度騎自行車。140公里的時(shí)速！比汽車還快。能有這么快嗎？依我們平時(shí)騎自行車的感覺，無(wú)論如何也騎不出這飛一樣的速度呀。運(yùn)動(dòng)員之所以能把自行車騎出汽車的速度，那是因?yàn)楝F(xiàn)代科技為自行車比賽提供了最有效的低風(fēng)阻設(shè)計(jì)方案。

騎自行車最大的阻力來(lái)源于哪里？不是自行車的重量，也不是你自身的重量，而是空氣的阻力。經(jīng)過(guò)測(cè)算，當(dāng)自行車速度達(dá)到每小時(shí)30公里的時(shí)候，我們騎自行車所付出的力量將有百分之九十是用來(lái)克服空氣阻力的。按照風(fēng)阻力與騎車速度的平方成正比的公式計(jì)算，當(dāng)自行車比賽選手以每小時(shí)140公里的速度飛馳的時(shí)候，他所付出的騎行力量將接近百分之百地要用來(lái)克服空氣阻力了。因此，要想提升自行車選手的騎行速度，最重要的科技手段就是找到克服空氣阻力的方法。

你也許會(huì)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上的自行車的模樣總是有些怪異。無(wú)論是手把、車輪、車架都與普通的自行車模樣大有不同。比賽自行車的模樣看起來(lái)不怎么美觀，卻是根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)成的最佳減小空氣阻力的樣式。風(fēng)洞以往用于航空航天器材的開發(fā)和研究，正是基于風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，飛機(jī)才飛上了藍(lán)天，飛船才能安然回歸地面。如今，科學(xué)家又將比賽自行車放進(jìn)風(fēng)洞里進(jìn)行飛行實(shí)驗(yàn)，努力尋找降低自行車空氣阻力的方法。比如一款比賽自行車放進(jìn)風(fēng)洞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，馬上暴露出車身上的一顆螺絲產(chǎn)生的空氣阻力較大，通過(guò)改進(jìn)這顆螺絲的樣式和安裝方向，運(yùn)動(dòng)員再騎行時(shí)可以將空氣阻力立即減少百分之五。經(jīng)過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出的模樣有些怪異的比賽自行車，可以讓運(yùn)動(dòng)員因一顆螺絲的改裝定輸贏。

降低空氣阻力的第二個(gè)辦法是利用新材料，為運(yùn)動(dòng)員設(shè)計(jì)低風(fēng)阻運(yùn)動(dòng)裝?？諝庵詴?huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生阻力，是因?yàn)榭諝夥肿訉?duì)運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生了迎面撞擊的力量。如果運(yùn)動(dòng)物體表面粗糙并且有皺折，那么它就無(wú)法躲避不計(jì)其數(shù)的空氣分子的撞擊，從而產(chǎn)生巨大的前進(jìn)阻力。如果有一種材料的表面極其光滑，并且用這種材料做成的衣服無(wú)皺折，那么空氣分子在它表面就根本“站不住腳”，雖迎面而來(lái)卻無(wú)法撞擊，而是被快速分流，從而不會(huì)再產(chǎn)生撞擊力，這樣空氣的阻力就可以大大減少了。遵循這樣的原理，科學(xué)家找到了碳納米纖維材料，做成表面極其光滑的布料，再用超聲波焊接技術(shù)把這種面料“縫制”成衣服，就做成了一件表面光滑無(wú)縫無(wú)皺折的外套，這種外套所承受的空氣阻力比人體汗毛承受的阻力還要小許多，運(yùn)動(dòng)員穿著這樣的衣服參加自行車比賽就可大幅度地減小空氣阻力，其感覺就如在真空里飛行一樣。

科學(xué)探索

風(fēng)洞是能人工產(chǎn)生和控制氣流，以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動(dòng)，并可量度氣流對(duì)物體的作用以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它是進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)最常用、最有效的工具。世界上第一個(gè)風(fēng)洞是英國(guó)人韋納姆于1871年建成，并用之測(cè)量物體與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力。它其實(shí)是一個(gè)兩端開口的木箱。美國(guó)萊特兄弟于1901年建造了一個(gè)風(fēng)速12米/秒的風(fēng)洞，依此實(shí)驗(yàn)發(fā)明了世界上第一架飛機(jī)。如今，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是飛行器研制工作中的一個(gè)不可缺少的組成部分。它不僅在航空和航天工程的研究和發(fā)展中起著重要作用，而且隨著工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，在交通運(yùn)輸、房屋建筑、風(fēng)能利用等領(lǐng)域更是不可或缺。

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現(xiàn)在，人們利用超聲波來(lái)為飛機(jī)、輪船導(dǎo)航，尋找地下的寶藏。超聲波就像一位無(wú)聲的功臣，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域。可做“天衣無(wú)縫”衣服的超聲波焊接機(jī)就是利用了超聲波的高頻振動(dòng)發(fā)熱特征制成的。endprint