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揭密奥运项目背后的物理学和生理学
2010-05-24 11:16:33   作者:许晖    点击:

事实上,奥运会发展到今天,哪一个项目要想取得好成绩,都离不开科学。以下是部分奥运项目中与物理学、生理学相关的科学分析。  是什么让迈克尔•菲尔普斯(Michael Phelps)成为世界顶级游泳高手?娜斯蒂 ...
事实上,奥运会发展到今天,哪一个项目要想取得好成绩,都离不开科学。以下是部分奥运项目中与物理学、生理学相关的科学分析。
  是什么让迈克尔•菲尔普斯(Michael Phelps)成为世界顶级游泳高手?娜斯蒂亚•柳金(Nastia Liukin)又为何能够在高低杠比赛中上演令人难于置信的下法?除了刻苦训练这一必不可少的因素外,还有一个至关重要的因素帮助他们问鼎世界之巅,那就是科学。

撑杆跳:物理学唱主角


 撑杆跳

  当前男子撑杆跳的世界纪录为20英尺1.75英寸(约合6.14米),由乌克兰选手谢尔盖•布勃卡(Sergei Bubka)在14年前创造。美国奥运选手布拉德•沃克(Brad Walker)是美国国内纪录保持者,成绩为19英尺9.75英寸(约合6.03米)。沃克靠什么才能让自己跳过那额外的4英寸,答案是物理学加技巧,两者所占比重分别为85%和15%。
  为了在6英尺2英寸(约合1.87米)的有效距离内积聚足够动能以越过横杆,沃克的助跑速度最少要达到每秒33英尺(约合每秒10米)。助跑之后便是撑杆,这一动作充当了弹簧的作用,将积聚的水平动能转换为垂直方向,最终将他送到16.7英尺(约合5.09米)的高度。剩下的3.4英尺(约合1.03米)就要靠曲身来完成了,也就是提高身体重心,直至跃过横杆。
  1. 接近:选手助跑时的速度越快,在插杆斗插杆时转移到撑杆的能量就越多。最为理想的情况是,选手要在不到10或12秒时间里达到最高速度。
  2. 插杆:以18度插入插杆斗,撑杆与最初高度相比将弯曲大约70%,或者说弯曲角度在120至160度之间,撑杆弯曲程度取决于选手体重和所获动能。
  3. 腾跃:弯曲的撑杆获得的势能被转回选手身体,变成动能。随着撑杆开始伸直,选手距地面高度不断升高,直至身体呈倒立姿态。
  4. 跃杆:在空中停留时,选手必须控制身体以面向横杆。在平时的训练中,他们会通过蜷缩、旋转和手倒立等方式熟练和掌握这项技术。

  补水很重要:比赛期间,一名奥运选手每天最多饮用3加仑(约合11.35升)水,是正常人的5.5倍。在北京奥运会上,由于温度超过85华氏度(约合29摄氏度),湿度达到90%,选手将不得不喝掉更多的水。流失2%的体液(相当于一名81.64公斤的选手体重减少大约1.58公斤)足以让选手在比赛中晕倒。运动营养学家南希•克拉克(Nancy Clark)解释说:“缺水让血液变得更加粘稠,进而增加心脏负担,心脏必须更为卖力地工作才能保障供血。”由于大量出汗,选手需要适当补充水分,备战下一轮比赛。


大回环:就得按部就班


高低杠

  在外行人看来,美国队柳金的大回环没什么难的,无非是在杠上转几个圈。实际上,完成这一动作是一个非常复杂的过程,柳金和握杠之间存在力与能的相互转换。完成大回环动作既需要力量,也需要技巧,选手必须保持较好姿态——手臂要直同时绷住脚尖——为完成空翻两周这一下杠动作积累足够动能。依靠傲人的力量和不可思议的时机掌握能力,柳金用一种优雅的方式挑战了地心引力。
  1. 选手在杠上呈手倒立姿势时,开始做大回环,她的双腿挺直,脚尖绷紧向上。
  2. 身体开始下落,手与杠之间产生的摩擦力减缓了旋转速度,每秒的旋转角度大约为275度。为了抵消摩擦力对速度的影响,选手双腿下落,腰部微曲,就此避开低杠。
  3. 在马上呈垂直姿势前,选手将背部拱起以提高转动能。旋转到底部时的下压力可达到4到7个重力加速度,握杠最多可偏离中央位置4.5英寸(约合11.43厘米)。
  4. 通过弯曲臀部、骨盆、腹部及向前摆腿,选手让身体重心靠近旋转中心。这一过程利用角动能提高角速度,每秒的旋转角度可达到304度。
  5. 此时距离下杠只有67微秒,选手身体在低于水平线10度以上和20度之间,空中停留时间不超过1.5秒。


皮划艇:“骗”过逆水门

皮划艇

  2008年奥运会皮划艇比赛将在北京顺义奥林匹克水上公园举行。三届奥运会皮划艇选手斯科特•希普利(Scott Shipley)称,这将是“力量、平衡能力和注意力”的一次较量。比赛中,皮划艇选手必须通过悬浮在水面(水流速度大约为每秒4.57米)上的18到25道门,其中最难的部分当属逆水门无疑,由于是“逆水行舟”,小小的失误就可能造成满盘皆输。
  1. 选手朝逆水门位置在顺流中横滑。随着皮艇穿过门柱进入逆流,选手利用划桨摆动船尾。
  2. 由于只需头部穿过逆水门便可大功告成,绝大多数选手会选择“蒙骗”逆水们的方式,即将他们的皮艇划到内柱下方,而后靠旋转船身绕过内柱。如果选手转动角度稍有偏差,顺流将把皮艇掀翻,如果角度刚刚好,选手在转向过程中将承受1.5个重力加速度。
  3. 此时的选手开始逆流而上,北京赛场的水流速度达到每秒9英尺(约合每秒2.74米)。一旦过了逆水门,选手便向后倾斜,将船尾没于水中,同时抬高船头,将皮艇转向半径从11.5英尺(约合3.5米)减至大约5英尺(约合1.52米)左右。
  4. 为了重新回到顺流,选手必须依靠划桨,产生65磅/英尺(约合96.73公斤/米)的扭距,而后朝下一个门进发,整个过程大约需要3.5秒。
  游泳:天赋、训练和技术 一个都不能少
  菲尔普斯绝对是游泳界的“超人”,仅在2004年雅典奥运会便一人独得6块金牌。对于他超凡的运动能力,有太多的记者施以重墨。菲尔普斯是一个运动天才,他的身体就像鱼儿一样,手和脚则让人联想到独木舟的划桨。他的成功告诉人们,如果没有天赋作基础,在奥运赛场上夺冠几乎是不可能的事情。对于菲尔普斯来说,如想在北京打破马克•施皮茨(Mark Spitz)创造的在一届奥运会上独得7枚金牌的纪录,仅具备完美的自然条件还是远远不够的,只有将天赋、训练和技术三者有机结合才有可能在赛场上创造历史。
  身体条件:菲尔普斯的身体条件可谓完美无缺,就像是一台为夺金而生的游泳机器。他的臂展长达6英尺7英寸(约合2米),比身高高出3英寸(约合7.62厘米)。他的躯干较长,腿则相对较短,内腿长为32英寸(约合81.28厘米),所有这些天生优势让他在水中所向披靡。
  生物化学:在蝶泳等项目中,划水会导致乳酸在肌肉中堆积,进而影响选手发挥。菲尔普斯肌肉中的具体乳酸水平仍旧是一个谜,但据测试结果显示,他体内天然产生的乳酸数量要远远低于绝大多数游泳选手。
  柔韧性:一些运动项目需要力量,比如铅球,其它一些项目需要柔韧性,比如体操,而游泳却是二者缺一不可。菲尔普斯的肘部、膝盖和踝部柔韧性极高,这就使得他在划水时产生较其他选手来说更小的阻力。
  流体力学:在200米自由泳比赛中,选手以每小时3.8英里(约合每小时6.1公里)的速度前进时,会消耗290千焦能量用以克服阻力。为了减少能量消耗,菲尔普斯采用一种更为高效的游泳姿势——低头提臀。
  技术:菲尔普斯是海豚式打腿高手,通过触壁转身后拍打双腿,他能够获得比划水更快的速度,这一优势可帮助他领先其他选手半个身位。
  训练:菲尔普斯每天坚持训练,泳池中训练时间为4个小时,地上训练时间为1个小时。由于游泳运动员每小时大约要消耗1000卡热量,菲尔普斯通常只吃高碳水化合物食物,以避免糖原消耗。
  马拉松选手VS短跑选手:各取所需
  耐力:能否在长跑比赛中取胜关键取决于有氧代谢能力。赖安•霍尔(Ryan Hall)的每分钟每公斤体重最大吸氧量(以下简称VO2 max)为84.7毫升。顶级马拉松选手的肌肉主要由慢肌纤维组成,慢肌纤维能够让氧的利用实现最大化,进而提高肌肉耐力。
爆发速度:在有氧代谢成为一个因素前,100米短跑就已经结束了,也就是说,对于泰森•盖伊(Tyson Gay)这样的短跑选手而言,最大吸氧量远没有快肌纤维来得重要,他需要的是速度而不是耐力。短跑选手肌肉中的快肌纤维所占比重最大时可达到80%,它们的收缩速度最大可达到慢肌纤维的10倍。
  跳水:成败只在一瞬间
  在奥运会上,跳水因选手优美的空中姿态成为观众关注的焦点。但很多外行人不知道的是,跃离跳板的一瞬间就已经决定一名选手成或败的命运了。
  接近:选手快步接近跳板的过程实际上是积累动能。
  压板:在距离跳板边缘12英寸(约合30.48 厘米)的地方,特罗伊•杜迈斯(Troy Dumais)跃向空中。跳起后向下压跳板以积累机械力,大约为5000牛顿。
  跃起:借助跳板的反弹力,杜迈斯的最高时速达到12.3英里(约合每小时19.79公里),这至少可以将他送到距水面18英尺(约合5.48米)的高度。凭借这一高度,他的空中停留时间最多可达到1.5秒,同时赋予他完成技术动作所需的旋转力。


  附:奥运会球类项目用球的具体资料
  足球:直径8.6至8.9英寸(约合21.84至22.6厘米),重量14.0至16.0盎司(约合396.89至453.59克),估计最高时速82英里(约合每小时132公里)。
  水球:直径8.9英寸(约合22.6厘米),重量14.0至16.0盎司(约合396.89至453.59克),估计最高时速65英里(约合每小时105公里)。
  排球:直径8.3英寸(约合21.08厘米),重量9.8盎司(约合277.82克),最高时速112英里(约合每小时180公里)。
  铅球:直径4.3至5.1英寸(约合10.92至12.95厘米),重量16磅(约合7.25公斤),最高时速30英里(约合每小时48公里)。
  曲棍球:直径2.8至3.0英寸(约合7.11至7.62厘米),重量5.5至5.8盎司(约合155.92至164.42克),估计最高时速99英里(约合每小时159公里)。
  棒球:直径2.9至3.0英寸(约合7.36至7.62厘米),重量5.0至5.3盎司(约合141.74至150.25克),抛球最高时速101英里(约合每小时163公里)。
  网球:直径2.5至2.6英寸(约合6.35至6.60厘米),重量2.0至2.1盎司(约合56.69至59.53克),最高时速155英里(约合每小时249公里)。
  乒乓球:直径1.6英寸(约合4.06厘米),重量0.1盎司(约合2.83克),估计最高时速70英里(约合每小时113公里)。(孝文)

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