揭秘奥运项目背后的物理学和生理学

xiaofeim

http://www.sina.com.cn  2008年08月08日 07:52  新浪科技

撑杆跳


高低杠

皮划艇





　　新浪科技讯　北京时间8月8日消息，据美国《大众机械》杂志报道，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。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。

xiaofeim

　　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)

xiaofeim

　　皮划艇：“骗”过逆水门

　　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。

xiaofeim

　　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。

xiaofeim

　　撑杆跳：物理学唱主角

　　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。

xiaofeim

　　大回环：就得按部就班

　　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。

xiaofeim

　　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。

xiaofeim

　　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。