快速泳衣在競(jìng)技游泳運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中發(fā)展與展望

戴承銘 趙婧 陸乙鋒

摘 要：世界游泳競(jìng)技水平飛速提升也得益于高科技產(chǎn)品的使用與創(chuàng)新。通過對(duì)近20年文獻(xiàn)資料的梳理，探討了快速泳衣對(duì)游泳運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技表現(xiàn)的影響，發(fā)現(xiàn)我國對(duì)于快速泳衣的研發(fā)與生產(chǎn)仍然停留在仿制階段，缺乏研究基礎(chǔ)與創(chuàng)新能力。在未來可以針對(duì)不同泳姿項(xiàng)目的生理學(xué)以及生物力學(xué)特點(diǎn)，建立人體工效學(xué)評(píng)價(jià)體系，探索適用于我國運(yùn)動(dòng)員個(gè)體特點(diǎn)的快速泳衣。

關(guān)鍵詞：快速泳衣；游泳；減阻功效；鯊魚皮

中圖分類號(hào)：G818.4? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1674-2346（2023）01-0053-05

在2008年北京奧運(yùn)會(huì)游泳比賽中，著名美國游泳運(yùn)動(dòng)員菲爾普斯共計(jì)打破8項(xiàng)世界紀(jì)錄，他所穿著的快速泳衣憑借在減少游進(jìn)阻力、增大身體浮力、減少游泳運(yùn)動(dòng)員能量消耗與肌肉振動(dòng)等方面的優(yōu)勢(shì)，充分提升游泳項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)成績。在當(dāng)今游泳競(jìng)賽中，快速泳衣憑借獨(dú)有的制作工藝與性能表現(xiàn)，成了游泳運(yùn)動(dòng)員取得成績突破的重要科技輔助手段。本研究通過檢索中外文數(shù)據(jù)庫（WoS、EBSCO、中國知網(wǎng)），綜述了快速泳衣的發(fā)展歷程、產(chǎn)品特點(diǎn)、性能特點(diǎn)和其他相關(guān)應(yīng)用研究， 并結(jié)合該研究領(lǐng)域的若干熱點(diǎn)問題，分析了快速泳衣在助力游泳競(jìng)賽方向的發(fā)展趨勢(shì)， 為我國快速泳衣裝備的創(chuàng)新研發(fā)提供有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)借鑒與參考。

1??? 快速泳衣的發(fā)展歷程

1.1??? 前鯊魚皮泳衣時(shí)代

在古代奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)上的選手們幾乎是赤身裸體參加比賽，衣服有可能會(huì)成為運(yùn)動(dòng)員們的累贅，妨礙運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)?，F(xiàn)代科技已經(jīng)徹底改變了這種狀況，特別是在競(jìng)技游泳運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中，合適尺碼的緊身泳衣不僅不會(huì)影響成績， 還會(huì)給運(yùn)動(dòng)員帶來一定的輔助作用^[1]。

美國國家航空航天局蘭利研究中心在20世紀(jì)80年代研發(fā)的技術(shù)，被Speedo公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用到泳裝研發(fā)上^[2]。憑借這項(xiàng)先進(jìn)材料技術(shù)，Speedo公司于1996年研發(fā)了“水刃”泳衣，并在泳衣面料上取得了重大創(chuàng)新，發(fā)明了世界上首例專為泳衣減阻所設(shè)計(jì)的面料S2000^[3]。S2000系列泳衣開啟了快速泳衣的時(shí)代，在亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)游泳比賽中有77%的獲獎(jiǎng)運(yùn)動(dòng)員都身著這款泳衣。

1.2??? 鯊魚皮泳衣時(shí)代

1999年，國際泳聯(lián)開始正式允許泳衣運(yùn)動(dòng)員穿著快速泳衣參賽^[4]。2000年，Speedo為游泳運(yùn)動(dòng)員們帶來了具有劃時(shí)代意義的快速泳衣――FASTSKIN鯊魚皮泳衣，并采用了纖維仿鯊魚皮膚結(jié)構(gòu)，表面材質(zhì)會(huì)與水流產(chǎn)生小漩渦，可將游進(jìn)速度提升3%～7.5%^[5]。在悉尼奧運(yùn)會(huì)游泳比賽中有83%的參賽選手選擇身穿該款“鯊魚皮”參加比賽，其中澳大利亞著名游泳選手伊恩·索普憑借這款泳衣分別在100米、200米自由泳、4x200米自由泳接力項(xiàng)目中斬獲金牌，同時(shí)打破了兩項(xiàng)世界紀(jì)錄^[6]。

2004年，Speedo公司全新推出了第2代鯊魚皮（FASTSKIN FS2）泳衣，在第1代鯊魚皮泳衣的基礎(chǔ)上增加了面料表面顆粒狀的小點(diǎn)，成功減小了游泳運(yùn)動(dòng)員在游進(jìn)過程中4%的水阻，整體功能相較于第1代快速泳衣提升7.5%^[7]，成功將47名游泳運(yùn)動(dòng)員送上了雅典奧運(yùn)會(huì)的最高領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)。

2007年，第3代鯊魚皮泳衣“FASTSKIN FS_PRO”面世，面料成分主要由特細(xì)尼龍紗和防氧彈性紗組成，泳衣的彈性比同時(shí)期同類產(chǎn)品高出約15%，有研究顯示這款泳衣可以通過增加肌肉的穩(wěn)定性來節(jié)省運(yùn)動(dòng)員能耗約15%，在不到1年時(shí)間里先后助力世界各國的游泳運(yùn)動(dòng)員 21 次打破世界紀(jì)錄^[8]。

2008年，在美國宇航局、澳洲流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室和Speedo公司的合作下研發(fā)了第4代鯊魚皮泳衣 “FASTSKIN LZR RACER”，面料材質(zhì)是由極輕、低阻、防水和快干性能的尼龍彈力面料組成，是全球首套以高科技熔接生產(chǎn)的無皺褶比賽泳裝。與前一代相比，這一代“鯊魚皮”泳衣融入了仿生學(xué)原理，在降低水中動(dòng)態(tài)阻力方面提高了24%，穿著該款泳衣的運(yùn)動(dòng)員比穿著普通泳衣的運(yùn)動(dòng)員耗氧量減少3%。憑借這件新型鯊魚皮泳衣，在2008年共計(jì)108項(xiàng)世界紀(jì)錄被刷新^[9]。鯊魚皮泳衣的出現(xiàn)改變了泳壇格局，使得全世界對(duì)這款裝備的使用方式“倫理之爭(zhēng)”達(dá)到了白熱化程度。鯊魚皮泳衣在2009羅馬世錦賽中展現(xiàn)出的對(duì)競(jìng)技成績的瘋狂提升，導(dǎo)致國際泳聯(lián)無法再承受社會(huì)輿論所帶來的壓力，最終對(duì)參賽泳衣的形態(tài)和尺寸展開了規(guī)則性的約束^[10]。鯊魚皮泳衣時(shí)代雖然結(jié)束，但是隨著體育產(chǎn)業(yè)科技的飛速發(fā)展，新型符合參賽規(guī)則的紡織材料快速泳衣出現(xiàn)了新一輪的科技裝備競(jìng)賽。

1.3??? 后鯊魚皮泳衣時(shí)代

2012年倫敦奧運(yùn)會(huì)前夕，Speedo公司研發(fā)出符合新規(guī)則的“快皮 3”（FASTSKIN3）泳裝系統(tǒng)。它使用了英國利茲大學(xué)索爾比環(huán)境流體力學(xué)研究室研發(fā)的一種具有最低流動(dòng)阻力的紡織材料，由泳衣、泳帽和泳鏡3個(gè)部分組成，對(duì)比上一代產(chǎn)品在肢體覆蓋面積上發(fā)生了很大的變化。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，游泳運(yùn)動(dòng)員使用該款泳裝系統(tǒng)能減少16.6% 的水流阻力和11% 的氧氣消耗，在泳衣表面的浮凸線條顯著地增加了游泳運(yùn)動(dòng)員在入水與轉(zhuǎn)身過程中的身體穩(wěn)定性。這款產(chǎn)品是國際泳聯(lián)實(shí)行泳衣新規(guī)之后在泳衣設(shè)計(jì)上的最大進(jìn)步。

2019年后，Speedo公司推出了“FASTSKIN LZR Pure Intent”和“FASTSKIN LZR Pure Valor”這兩款新型快速泳衣。前者是為短程比賽游泳運(yùn)動(dòng)員所設(shè)計(jì)，表面材質(zhì)由尼龍彈性織物制成，并在制作過程中根據(jù)人體工程學(xué)的特點(diǎn)將模仿鯊魚皮膚的齒狀紋理織入面料。對(duì)腿部與髖部展開靈活的壓縮支撐分區(qū)設(shè)計(jì)，可以減少游泳運(yùn)動(dòng)員游進(jìn)過程中的皮膚振動(dòng)和疲勞。后者是針對(duì)多項(xiàng)目的長距離游泳運(yùn)動(dòng)員，它也是Speedo公司有史以來最輕量級(jí)的快速泳衣，優(yōu)點(diǎn)在于腿部與腰帶的全新壓縮內(nèi)縫處理，可以使運(yùn)動(dòng)員獲得更大的肌肉支持，并對(duì)不同穿著喜好的運(yùn)動(dòng)員提供高腰和低腰兩個(gè)版本的設(shè)計(jì)。

2??? 各階段快速泳衣的產(chǎn)品特點(diǎn)

美國著名游泳教練員鮑曼曾指出，現(xiàn)今泳池內(nèi)的技術(shù)動(dòng)作普遍較為穩(wěn)定，頂尖游泳運(yùn)動(dòng)員在技術(shù)上的差別很小，在此種情況下，快速泳衣的使用就會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員名次起到?jīng)Q定性作用。自1999年快速泳衣問世以來，該產(chǎn)品共經(jīng)歷了6個(gè)階段的發(fā)展與改進(jìn)，在6個(gè)不同的周期內(nèi)，快速泳衣的特點(diǎn)如表1所示。通過對(duì)比分析可以看出，這6代泳衣在產(chǎn)品材質(zhì)、特點(diǎn)和款式上逐漸改善和提高，科技含量也越來越高，逐漸貼合人體肌肉，并能夠有效提高運(yùn)動(dòng)員的本體感覺。

3??? 快速泳衣對(duì)運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技表現(xiàn)的影響作用

3.1??? 快速泳衣的減阻功效

在流體力學(xué)中，阻力一般分為3個(gè)部分：形態(tài)阻力、摩擦阻力和波浪阻力。

形態(tài)阻力與摩擦阻力的測(cè)定取決于雷諾數(shù)（Re）^[11]：

式中v為流體的流速、l為流體的長度、ρ為液體密度、μ為黏性系數(shù)。

波浪阻力的測(cè)定取決于弗勞德數(shù)（Fr）：

式中v為平均流速、g為重力加速度、H為平均水深度。

對(duì)快速泳衣的早期研究主要是針對(duì)減阻功效，開展流體力學(xué)試驗(yàn)，模擬水中的速度、運(yùn)動(dòng)員比賽姿態(tài)以及人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)，開發(fā)特殊的泳衣面料和表面處理工藝來減少阻力。

研究者在早期的產(chǎn)品研發(fā)中對(duì)快速泳衣的身體覆蓋面積進(jìn)行了相關(guān)的探討。Benjanuvatra^[12]對(duì)9名穿著連體快速泳衣的運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行了被動(dòng)阻力和主動(dòng)阻力測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示連體快速泳衣在1.6、2.2和2.8 m/s速度下被動(dòng)阻力和主動(dòng)阻力均低于普通泳衣，并存在顯著差異。Mollendorf等人^[13]對(duì)穿著肩到踝，肩到膝，腰到踝，腰到膝和三角褲的5組實(shí)驗(yàn)者展開被動(dòng)阻力拖拽的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并對(duì)形態(tài)阻力、摩擦阻力和波浪阻力展開評(píng)價(jià)，研究顯示使用不同覆蓋面積的快速泳衣可以減少3%～10%的阻力，且身體覆蓋面積與阻力的減少成正比。

紡織材料的特殊處理工藝是近年來快速泳衣主要的減阻研發(fā)方向。在2010年國際泳聯(lián)下發(fā)泳衣設(shè)計(jì)禁令后，制造商開始通過探究不同紡織材料的粗糙度，以及對(duì)不同紡織材料使用部位的流體阻力特性來對(duì)快速泳衣的減阻功效進(jìn)行評(píng)估。泳衣紡織組件中各層的表面粗糙度對(duì)運(yùn)動(dòng)員游進(jìn)過程中的阻力有很大的影響。Debraux等人^[14]從流體力學(xué)對(duì)快速泳衣表面粗糙度展開了相關(guān)研究，結(jié)果表明使用表面粗糙度增加的紡織物可以減少運(yùn)動(dòng)員游進(jìn)過程中的阻力，能有效提高競(jìng)賽成績。增加表面粗糙度的主要方法為超疏水表面處理技術(shù)。超疏水表面是指具有低濕潤性和接觸角大于150°的材質(zhì)。在目前的研究中發(fā)現(xiàn)， 通過在泳衣織物表面注入納米級(jí)SiO₂顆粒，填充于織物纖維縫隙之間，形成有序排列的分子凹凸結(jié)構(gòu)來增加泳衣的表面粗糙程度^[15]。在100m自由泳測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，穿著疏水處理快速泳衣的相較于未穿著的運(yùn)動(dòng)員能夠提高1.25s的成績，且此差異具有顯著性意義，證明該設(shè)計(jì)工藝能夠達(dá)到疏水和減阻的目的^[16]。

3.2??? 快速泳衣對(duì)運(yùn)動(dòng)員機(jī)體能量代謝、肌肉功能以及力學(xué)表現(xiàn)的影響

目前，關(guān)于緊身運(yùn)動(dòng)服裝幫助運(yùn)動(dòng)員提升運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的研究，主要涉及生理和能量代謝、肌肉功能等領(lǐng)域^[17]，針對(duì)快速泳衣的體育科學(xué)研究起步較晚。

在運(yùn)動(dòng)員機(jī)體能量代謝方面，Chatard等^[18]對(duì)14名游泳運(yùn)動(dòng)員開展最大速度下的1500米自由泳的水槽實(shí)驗(yàn)，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的最大攝氧量、血乳酸濃度等指標(biāo)進(jìn)行采集，結(jié)果表明穿著快速泳衣的運(yùn)動(dòng)員相較于普通泳衣，平均能量消耗下降4.5%～5%，血乳酸濃度下降17%。該研究認(rèn)為，能量消耗的下降可能會(huì)受到相同劃頻情況下劃幅增加的影響。在對(duì)泳衣加壓閾值與機(jī)體的能量代謝關(guān)系探索中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于軀干部位，施加低于7.5 mmHg壓力值的泳衣更有助于提高人體靜脈血流的工作效率^[19]。目前以快速泳衣為對(duì)象促進(jìn)機(jī)體代謝與疲勞延緩為主題的研究較少，但在對(duì)于其他體育項(xiàng)目的研究中發(fā)現(xiàn)，緊身服裝具有增加血氧飽和度、改善運(yùn)動(dòng)后乳酸清除的作用^[20]。游泳項(xiàng)目具有長短距離分項(xiàng)和復(fù)雜的技戰(zhàn)術(shù)影響因素，各個(gè)項(xiàng)目的生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征存在一定的差異。因此，探索快速泳衣對(duì)運(yùn)動(dòng)員機(jī)體能量代謝的影響機(jī)制仍有很大空間。

對(duì)于快速泳衣的肌肉壓縮功能和力學(xué)表現(xiàn)研究表明，快速泳衣與穿著者、活動(dòng)方式以及運(yùn)動(dòng)環(huán)境需保持動(dòng)態(tài)關(guān)系，最終目的是憑借泳衣的織物特性和服裝結(jié)構(gòu)使運(yùn)動(dòng)員在水中保持良好身體姿勢(shì)與力量使用效益，從而提高游泳運(yùn)動(dòng)員的速度和技術(shù)動(dòng)作效率，而不是產(chǎn)生額外的負(fù)面壓力和不適感^[21]。因此，在對(duì)泳衣的肌肉壓縮功能設(shè)計(jì)的過程中需要保持運(yùn)動(dòng)員在水中的流暢性，并減少一系列由壓縮肌肉而產(chǎn)生的動(dòng)作限制問題。對(duì)于快速泳衣壓縮肌肉的功能設(shè)計(jì)新理念是提升回能效果（回能效果是指游泳運(yùn)動(dòng)員通過織物收縮再利用自己的力量），主要特征為上下半身采用不同的彈力系數(shù)材質(zhì)。相關(guān)研究表明在泳衣上半部分采用彈力小的纖維材料，在身體下部分用彈力大的纖維材料，可以有效回收運(yùn)動(dòng)員打腿時(shí)下打的反作用力，輔助下階段打腿動(dòng)作的復(fù)位，從而達(dá)到提高游進(jìn)效益的目的^[22]。

4??? 快速泳衣的未來研發(fā)展望

4.1??? 搭建定制化剪裁設(shè)計(jì)平臺(tái)

由于成本和產(chǎn)量等問題，現(xiàn)階段的快速泳衣均按各個(gè)品牌自行規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)尺碼展開銷售。目前可選擇的剪裁設(shè)計(jì)只提供了高腰和低腰兩個(gè)版本設(shè)計(jì)，對(duì)于有許多特殊體型或不同穿著喜好的游泳運(yùn)動(dòng)員來說，存在剪裁不合理、體感不適、尺碼不合身、妨礙技術(shù)動(dòng)作等問題。因此，在未來需要研發(fā)一套定制化分區(qū)剪裁設(shè)計(jì)平臺(tái)，可以對(duì)不同需求的游泳運(yùn)動(dòng)員展開個(gè)性化設(shè)計(jì)，以帶給運(yùn)動(dòng)員更好的穿著體驗(yàn)。

4.2??? 研發(fā)一體化減阻系統(tǒng)

研究人員應(yīng)考慮將泳帽、泳鏡以及泳衣這三者的研發(fā)結(jié)合起來，根據(jù)人體結(jié)構(gòu)學(xué)，最大程度地建立一套相互協(xié)調(diào)的一體化減阻系統(tǒng)。通過這套系統(tǒng)盡最大可能改善頭部和軀干部位的流體力學(xué)特征，有效降低游泳運(yùn)動(dòng)員的游進(jìn)阻力。

4.3??? 提高材料縫合技術(shù)

快速泳衣的裁剪拼接以及附加減阻結(jié)構(gòu)是減少游進(jìn)阻力的關(guān)鍵因素之一。雖然現(xiàn)階段快速泳衣所采用的超聲縫合技術(shù)是當(dāng)今最先進(jìn)的服裝縫合技術(shù)，在泳衣接合面實(shí)現(xiàn)了完全密封，但在實(shí)際穿著的過程中仍出現(xiàn)泳衣撕裂的問題。因此，可以探索將納米纖維技術(shù)融入縫合技術(shù)中，在接縫處模仿人類皮膚和肌肉組織，在確保密封性的同時(shí)提高材料的抗撕裂性。

4.4??? 提高對(duì)游泳項(xiàng)目針對(duì)性設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段的快速泳衣雖然對(duì)短距離和長距離的游泳項(xiàng)目做了區(qū)分性的款式設(shè)計(jì)，但尚未對(duì)不同泳姿項(xiàng)目做出劃分設(shè)計(jì)。因此，可以通過采集運(yùn)動(dòng)員實(shí)際游泳比賽中不同項(xiàng)目的技術(shù)動(dòng)作、身體姿勢(shì)等運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，設(shè)計(jì)出具有項(xiàng)目針對(duì)性的泳衣款式，以提高運(yùn)動(dòng)員的在不同項(xiàng)目中參賽表現(xiàn)^[23]。

4.5??? 開展生理生化指標(biāo)影響研究

由于受到水中復(fù)雜環(huán)境的影響，游泳項(xiàng)目生理生化實(shí)驗(yàn)的展開具有一定難度?，F(xiàn)階段要加強(qiáng)對(duì)于水下生理生化實(shí)驗(yàn)器材的開發(fā)設(shè)計(jì)，提高水中肌電變化、最大攝氧量變化與血乳酸變化等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

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The Development and Prospect of Fast Swimsuits in Competitive Swimming Sports

DAI Cheng-Ming??? ZHAO Jing??? LU Yi-feng

（Chengdu Sport University，Chengdu，Sichuan 610041，China）

Abstract： The rapid improvement of the world swimming competition level also benefits from the use and innovation of high-tech products.Based on the literature review of the past 20 years，this paper discusses the influence of fast swimsuit on the competitive performance of swimmers.It is found that the research and development and production of fast swimsuit are still in the imitation stage，and lack of research foundation and innovation ability.In the future，the ergonomic evaluation system can be established according to the physiological and biomechanical characteristics of different swimming styles，and the fast swimsuit suitable for the individual characteristics of Chinese athletes can be explored.

Key words： fast swimsuit;swimming;resistance reducing effect;sharkskin