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奥运背后的科技角力

8月10日,中国选手郭晶晶/吴敏霞在女子双人3米跳板决赛中。


  大回环中的力学奥妙  

  体操是优美与力学结合的典范,即使只是一个简单的高低杠大回环 (体操项目中高难度空中转体动作),运动员和手中柔韧的杠之间也蕴藏着复杂的力与能量的转换。
  大回环时,选手从杠上倒立位置开始下落。由于手与杠之间的摩擦,将使回环速度略有降低,前半圈的角速度接近275度/秒。但就在这前半圈里,运动员必须为进入向上的半圈积累足够动能,尤其是在下一圈需要完成飞行动作或进入一连串空翻下杠的时候。因而她们必须在向下的半圈里将能量传递给柔韧的碳纤维杠,在向上的半圈里又吸收能量,增加回环速度。
  为补偿下落时回环速度的损耗,高低杠女选手会运用一个 “轻甩”动作。在略为翘臀收腿,避开低杠的同时,也缩短了旋转的力臂,使自己的重心尽量接近旋转中心,增加了旋转能量。在一圈回环的底部,选手身体向下的加速度可以达到4~7倍重力,手中的高杠最多能被拉离中心线27厘米。然后,她们放松臀部、骨盆和腹部,将腿部向前摆,甩入向上的半圈回环。如此利用角动力,她们能使自己旋转的角速度增大到约304度/秒。这也是为什么高低杠大回环动作只能从前半圈经过低杠的方向完成,无法反其道而行之的道理。

撑杆跳材料很关键

  在1994年意大利举行的国际田联大赛上,由乌克兰名将谢尔盖·布勃卡创造的6.14米的撑杆跳高世界纪录,至今已沉寂14年之久,在北京奥运上这个纪录能否突破,其中85%在于物理和材料学,另15%在于身体技能。
  木杆时代的撑杆跳成绩只有3.30米,1905年用竹竿达到4.77米,1930年用金属杆提高到4.80米,但真正的突破还是在1985年,后来被誉为 “撑杆跳高沙皇”的布勃卡,借助一种用玻璃纤维、合成树脂以及超柔软、超强度纤维混合制成的现代化撑杆,使撑杆跳一举突破6米大关。如今的每一根撑杆都专门根据使用者的体重和身高设计,由三层玻璃纤维和树脂灌注的碳纤维布制成。经过加热,这些东西就形成一种轻型复合材料,外层决定着它的强度,两个内层决定着它的力量和柔韧性。
  运动员跑得越快,他传递给撑杆的能量就越多,最理想的是在10步或12步达到最高速度。为在助跑距离内积累起足够抬起自己的动能,身高1.87米的美国撑杆跳世界冠军布拉德·沃克尔,需要至少以11.93米/秒的速度助跑,将撑杆以18度倾角插入斗内,撑杆将被弯曲到原有长度的约70%,形成120~160度的弧形,这取决于运动员的身高和动量。然后,撑杆将像弹簧一样,弯曲的撑杆将能量以动能的形式还给运动员,这4195焦耳能量被从水平面转移到垂直面,可将运动员抛到5.09米高度。在杠顶剩下的1米多,运动员扭转身体,形成俯卧,同时将自己的重心向上推。这一系列动作技术其实与体操类似,比如蜷身、翻滚和倒立。

跳板起跳有玄机

  跳板跳水运动员总是以空中特技令人目眩,但结局往往在走向板头那短促的几步之内,就已经决定了。利用前几步积累的动量,运动员一般在距板头0.3米的位置向空中跃起,落下时的压板能产生约5000牛顿的机械力。回弹的跳板能将运动员以19.79公里/小时的速度抛向空中,使他达到距水面5.49米的高度。这不光能给他1.5秒的飞行时间,也给了他完成动作所需要的旋转力。
“逆水行舟”有窍门
  北京奥运会皮划艇比赛在顺义奥林匹克水上公园举行,美国的三届奥运会皮划艇选手斯科特·希普利称,这是 “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18~25道门,其中最难的部分无疑当属逆水门,由于是 “逆水行舟”,小小的失误就可能造成满盘皆输。
  选手一般以顺流侧滑的姿态接近这个水门,当艇身从门杆下经过,进入漩涡时,选手把桨插入水中,使船尾摆回来。在顺义的水上场地,这一段逆流漩涡的流速为2.74米/秒。由于只需选手的头部经过水门即可,多数选手会将艇从内侧门杆下滑过,同时用自己的躯干绕过内侧门杆,这是一个小小的窍门。但如果选手转弯时的角度稍有零点几度的偏差,向下的水流就会将艇打翻。动作正确的选手在转弯时的过载大约是1.5g。一旦越过水门,选手就必须向后靠,使艇尾下沉,艇首抬起,这样能使皮划艇的转弯半径从3.55米缩小到约1.52米。为了重新进入顺流,选手用桨插入水中,产生一个扭转力矩,使艇冲向另一个门。整个这一切过程必须在3.5秒的时间内完成。
  □吴戈

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【第 A4 版:教育·科技】
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