简明运动生物力学：发展趋势

科学技术的快速发展对运动生物力学的影响越来越大。运动生物力学的基础理论研究依然是研究者的根本任务,它能够决定整个运动生物研究的起点高度,如有关人体重心位置、环节重心位置及人体模型的研究。纳米生物力学已经问世,宏观的人体生物力学研究在条件许可的前提下,可能会向微观纳米方向发展。分子运动生物力学在不远的将来就会出现在运动人体领域,训练中各种训练生物力学参数的研究将会逐渐过渡到即时反馈,光电传导跟踪捕捉系统已经成功运用于运动训练与体育比赛的许多环节,最新的细胞牵张拉伸应力系统FX-5000T细胞牵张拉伸应力加载系统研制成功。伴随着大众健身、老年社会和国内体育产业发展高潮的到来,许多新兴领域将会以我们不可预知的速度进入并影响我们的生活,运动生物力学的研究前景将会更加广阔。研究工具的每一次改进,都会为运动生物力学的发展提供更广阔的发展空间和前景。

案例分析

高科技特制装备亮相 中国王牌军向科技要金牌

《燕赵都市报》 王伟宏

跳水、体操、乒乓球、射击,这四支王牌部队,几乎撑起中国奥运金牌的半壁江山。北京奥运会日益临近,背负夺金重任的四大王牌军的领导却连番喊“难”。昨天,四队联合发布的最新“战服”全都采用了高科技手段,希望这些装备能助选手们一臂之力。

■跳水:独特排水槽减水阻

跳水梦之队一直是中国体育代表团的夺金大户,理论上甚至有包揽金牌的可能,不过近期的表现却让人捏一把冷汗。上周世界杯跳水巡回赛南京站,“一姐”郭晶晶罕见的重大失误敲响了警钟。昨天,游泳运动管理中心副主任、中国跳水队领队周继红说,中国跳水队虽有“梦之队”美誉,无奈当今世界跳坛竞争激烈,中国选手无绝对优势可言,一些队员的状态也不是特别出色,并得出结论:北京奥运会跳水队每一枚金牌都会很难。

高科装备:众所周知,跳水比赛运动员入水时的水花大小,将直接决定运动员的分数。昨天中国跳水队公布的最新泳衣,后部都有一个独特设计的排水槽,使得运动员入水时能够将泳衣与身体间的水迅速排干,能减小阻力从而减少水花。

■体操:神奇纤维更加舒适

中国体操队雅典的不愉快还未散去,前不久女队又抽到北京奥运会的下下签,原本乐观的北京奥运之旅似乎又要重起波澜。有鉴于此,体操运动管理中心主任高健昨天也对女队不无担忧:“我们最不想第一个上场,但偏偏就抽到了第一场;没有人愿意第一项就比平衡木,但我们偏偏就抽到了平衡木。”

高科装备:体操运动员比赛时动作大开大合,对服装的伸展性和舒适度要求极高。一种高科技纤维被应用在中国体操队最新比赛服中,优质弹性能让运动员在比赛中毫无束缚、尽情舒展。女选手的比赛服中还掺进了一种含有天然萃取成分的微胶囊,运动时这些微胶囊就会破裂并散发出清香,可以帮助运动员缓解疲劳和紧张。

■乒乓球:能防汗水滴落球台

乒乓球被称为国球,但国乒目前遭遇到各种因素的围追堵截,形势也是空前严峻。昨天,乒羽运动管理中心主任刘凤岩大吐苦水,他表示2004年雅典奥运会前国际乒联出台的11分制、无遮挡发球等改革,目的就是削弱中国队优势,经过几年的适应,中国乒乓球队仍未完全驾驭新赛制,在重大国际比赛上,非常容易被对手爆冷击败,北京奥运会形势也不容乐观。

高科装备:打乒乓球的人都知道,运动时滴在球台上的汗水可能导致乒乓球突然变向,滴在地板上的汗水则可能使打球者滑倒,而比赛时这种现象将会更多地出现。中国乒乓球队刚刚配备的新比赛服,则使用了一种超强吸湿排汗的面料,并且让运动员在大幅度挥臂时拥有更大的腋下抬起量。

■射击:除湿散热排除干扰

射击项目的偶然性让所有业内人士都感到头疼,即便麾下拥有一大批世界顶尖选手,国家射击射箭运动管理中心主任高志丹也表示:“射击运动员在主场作战时心理压力特别大,北京奥运会对于中国射击队来说是比以往任何一项赛事都要难打的比赛。尤其是在很可能产生北京奥运会首枚金牌的女子10 m气步枪项目上,中国选手的压力更大,何况对手实力也很强劲。”

高科装备:射击比赛中任何一些不舒服的因素都可能让运动员心理产生波动从而影响战绩。中国射击队的新射击服专门采用高科技的排汗除湿散热系统,让射击服的透气性和散热性都得到大幅提高。

相关历史事件

撑竿跳的变迁

《科学时报》 赵致真

1994年7月31日,意大利塞斯特里尔田径场,号称“跳高沙皇”的乌克兰运动员布勃卡“揭竿而起”,把自己的身体撑向蓝天,一举越过了6.14 m横杆。这是人类克服地球引力的凯歌,也是人类体育运动目前所达到的高度上限。在布勃卡时代,天下好手参加撑竿跳高比赛常常只有亚军可争。(www.xing528.com)

撑竿跳高究竟起源于何时已经很难考证。在远古的年代,人们撑着一根木杆或长矛跨过溪流,越过短墙,腾上马背……此后渐渐发展为一项体育运动。1789年,德国人普茨跳过了1.83 m,这大约是历史上第一个有案可考的撑竿跳高纪录。

早期撑竿跳高

1896年的第1届奥运会上,撑竿跳高就成为最引人入胜的正式比赛项目,不过属于体操项目。当时使用的撑竿大多由山胡桃木制成。美国运动员威廉·霍亚特靠着这种沉重、坚硬、粗笨的实心木杆,创造了3.3 m的世界纪录。

早期奥运会的滑稽故事在撑竿跳高项目中也不乏其例。1904年在美国圣路易举办的第3届奥运会上,日本选手左间代富士从容不迫地把撑杆插到地上,然后以极其麻利的动作来了个“顺竿爬”,直到高过横杆时才轻松跳下。他的这种“杂技表演”不仅令观众目瞪口呆,也让裁判不知所措。此后才制订了起跳后握竿双手不能交替移动的“游戏规则”。

用竹竿取代木杆,是撑竿跳高历史上的重大进步。竹竿更富有弹性,天然的中空结构使竿重减轻有利于快速助跑。1908年伦敦奥运会上,美国耶鲁大学学生吉尔伯特第一次使用竹竿跳过3.71 m获得冠军。他随后从巴黎购买了大量竹竿行销到美国各地。盛产上乘竹子的日本曾领尽风骚,在洛杉矶奥运会上,日本选手西田修平仅以1 cm之差直逼霸主美国队,柏林奥运会两位日本运动员把奖牌切开再焊接成两块银、铜各半奖牌,这类奇迹和轶事都发生在日本撑竿跳高的“辉煌时代”。而历经5年时间阴干和炮制的日本撑竿工艺也首屈一指,各国好手几乎都把来自“竹乡”上野、四国的日本撑竿视为珍稀的上选。“竹竿时代”的世界纪录上升到了4.77 m。

1936年柏林奥运会上美国运动员迈多斯使用竹竿创造4.35 m的奥运会纪录

第二次世界大战没有理睬古奥运会“神圣休战”的原则,第12、第13届奥运会成为历史上永远的空白。作为交战双方,欧美国家从日本进口竹竿的渠道被完全阻断。而苦难中的人们并没有因战争而丧失撑竿跳高的兴致,他们被迫另辟蹊径,早在1920年便有人尝试的金属撑杆开始备受青睐。

和自然生长的竹竿相比,这种用瑞典钢和铝合金制成的空心撑杆更加轻便光洁,尺寸标准,坚牢柔韧,运动员可以更放心大胆地加快助跑和提高握杆点而不用再担心“折戟沉沙”。世界纪录因此而提高到4.80 m。

另外一项看似简单却功不可没的发明,是插斗的使用。早期的撑竿为了防止打滑,都在末端安上一个或者一组粗大的铁钉。1908年伦敦奥运会上,美国运动员吉尔伯特在撑竿的落地处挖了个坑,结果被视为犯规。直到1924年,木制的插斗才成为撑竿跳高的“标准配置”,从此运动员有了一个稳定可靠的“支点”。

1952年,当更轻、更韧、更富有弹性的玻璃纤维撑杆第一次在赫尔辛基奥运会上出现时,谁也没有预料到撑竿跳高将进入一个梦幻般的新时代。1961年美国运动员戴维斯创造了玻璃纤维撑竿的第一个世界纪录4.83 m。次年2月,约翰·尤尔西斯跳过4.89 m。1964年弗莱德·汉森把世界纪录提高到5.28 m。短短几年间,撑杆好手群雄竞起你追我赶,世界纪录墨迹未干便再被刷新,直到突破6 m大关。和其他任何田径项目相比,这种势如破竹的“跃进”都是绝无仅有的。

玻璃纤维杆本身没有能量,究竟是何种原因导致它如此“立竿见影”的功效呢?如果“刚性”的木杆和“柔性”的纤维杆进行对照来作一番简略讨论,将会看到力学中关于能量转换的最生动演示。

奥运撑竿跳高纪录

玻璃纤维竿的重量大大减轻,使运动员持竿助跑的速度得以猛增,而聚集在竿上的动能是和助跑速度的平方成正比的。再说“刚性”撑竿和地面的接触是“硬碰硬”的撞击,而“柔性”的纤维竿落地后则更像弹簧的压缩,两者造成的能量损失和对人体的冲击震荡显然大不相同。而当玻璃纤维竿变成一条大弧,运动员握竿点和插斗的直线距离则如一根弦,和“直挺挺”的不可压缩的木杆相比,人-竿转动半径明显缩短,竖竿的力矩大大减少,这意味着运动员能够轻易地提高握竿点。

如果把手中的撑竿当作一个“能量转换器”——将水平方向助跑的动能转换为一定高度的重力势能,那么玻璃纤维竿的最大魅力则来自它对能量的有效储存和释放。当纤维撑竿被压弯后积蓄了变形势能,然后将运动员“弹”向空中,等于运动员把水平助跑“挣来的钱”“存入银行”,接着及时“提取”出来支付垂直上升和跨越横竿需要付出的“费用”。

撑竿跳高中的“双钟摆”效应,指的是以穴斗为支点,以撑竿为主体的“长摆”,和以肩关节为支点,以人为主体的“短摆”。木杆的“摆长”是不变的,运动员握竿点的轨迹几乎完全是一个陡起的圆弧,而玻璃纤维竿的“摆长”是变化的,运动员身体重心位移是一个平滑的曲线。这十分有利于提高“摆动”的角速度和减少能量转换中的损失。

现代撑竿跳高握竿点的运行轨迹

如果进行更深层次的观察和研究,就会发现撑竿材料的“革命”带来了撑竿跳高整体技术动作模式的变化,运动员起跳后不再是无所作为地等待被“抛掷”,而是开始了一系列精巧、细致、复杂的“杆上动作”。悬垂摆体、后仰举腿、引体转体……最后以竿上“单手倒立”的英姿腾跃过竿,这是何等令人惊叹的高难度技巧。有人把撑竿跳高比作“跳高加体操”的确不无道理。号称“女布勃卡”的俄罗斯运动员伊辛巴耶娃本来就是体操运动员出身,只因身高“不幸”长到了173 cm才被迫改行,也许多亏了体操的“童子功”,成全了她创造5.01 m世界纪录的辉煌之梦。

对撑竿跳高的极限,人们做过多种预测,根据能量守恒的公式计算出水平助跑动能最多可以转化为大约5 m的垂直势能,但显然遗漏了运动员腾空后获得新的能量份额。所谓“撑竿跳”,“跳”和“撑”都是题中应有之义。算总账的时候不光要看到地面上水平助跑积蓄的初始能量,还要加上悬空后手臂一挽一推、身体翻转旋转而新“挣”来的后续能量。

今天竞技场上的撑竿经过不断更新换代,玻璃纤维和尼龙已经被更加轻便、坚韧而富有弹性的碳素纤维和多种复合材料所取代。通过精密的实验和计算,根据撑竿从上到下受力的差异和弯曲的弧度来设计不同部位最合理的强度,现代的撑竿制作工艺日臻完善和成熟,而纳米材料的应用也许会让撑竿跳高“百尺竿头,更进一步”。

对撑竿材料革命的疑虑和抱怨虽然一直没有停息,但谁也不愿意再回到“擀面杖”和“竹筒子”的年代。撑竿跳高演变的历史是一个经典的例证,讲述了新兴材料如何将这项古老运动推向峰巅。