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摘自《奥运中的科技之光》,赵致真著。经赵致真先生授权,科学松鼠会网络发布,转载请注明。

“因此哪怕起跑确实在枪响以后,但只要时间少于0.1秒便可认定为抢跑。”

运动场上的“时间简史”

1996年亚特兰大奥运会上,英国“飞人”克里斯蒂和加拿大“黑豹”贝利的男子百米冠军之争让场内外千万人屏住了呼吸。然而戏剧性的场面出现了,克里斯蒂连续两次抢跑,比规定的起跑时间提前了约百分之一秒。裁判们经过冗长的合议,宣布取消克里斯蒂的比赛资格。于是奥运历史上留下了克里斯蒂在极度失态中愤然退场的一幕。

还是这位“背运”的克里斯蒂,在1995年国际田联组织的“黄金四站”大赛中已经连续取得苏黎士、布鲁塞尔和奥斯陆三站的冠军,却最后在柏林功亏一篑,仅以千分之一秒的微小差距败给贝利,失掉了即将到手的4公斤黄金的大奖。“时间就是金钱,时间就是生命”,这句古老的箴言在现代运动场上体现得淋漓尽致和无以复加。

我们的一切运动都在三维空间中进行,但还必须加进第四维——时间。计时是竞赛运动的基石,是一切速度型运动成绩的量化形态,让快和慢的比较成为可能。奥运百年间,运动计时手段的变化不啻霄壤,精准、可靠、快捷和直观是人们始终不懈的追求目标。

1896年第一届奥运会上,秒表刚刚问世不久。当计时员从黑色衬布上看到发令枪烟升起而按动拇指时,受生理反应速度所限,计时误差可达0.2至0.5秒。这对于百米赛来说相当于2到5米的距离。

1912年斯德哥尔摩奥运会上,秒表首次以电动代替手动,并设置了实验性的终点照相仪。到了1932年洛杉矶奥运会,瑞士欧米伽公司提供30块电动秒表,以十分之一秒的精度记录了17项世界纪录。当时已经使用了终点摄影胶片,不过要花费几天时间才能冲洗出来,只能成为马表的“马后炮”了。

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随着运动竞技水平的提高,顶级选手的成绩日益接近。跑道上每每出现并驾齐驱,比肩到达,集体冲线的情景。人们也对计时系统提出越来越高的要求。光电管取代肉眼,起跑发令枪和计时器联动,石英技术问世,终点快速打印机使用,都为计时系统的升级换代注入活力。1968年墨西哥奥运会上正式被官方确认的缝隙扫描终点摄影技术更成为一个重要的里程碑,从此之后,在百米终点线楼梯上“排排坐”和“叠罗汉”的24名计时员永远退役了。

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如果把普通照相机的曝光比作一次“开门”,那么终点摄像仪的曝光则是通过一条极为狭窄的“门缝”,在高速的CCD摄像机中,这个“门缝”每秒钟连续开启2000次,相当于把一秒钟时间切成2000片,再将摄下来的2000条竖直栅格依次沿横向排列。于是这些“白驹过隙”后在时间轴上留下的“线”便“织”成了计算机屏幕上精确的“冲线图”。当然,“门缝里看人”难免把人“看扁”。如果运动员影像移动的速度快于照相机栅格移动的速度,人的影像就会变窄,反之影像就会变宽。难怪那些珍贵的历史性记录一幅幅看上去都有些像“哈哈镜”了。

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尽管有了这样的“火眼金睛”,也仍然不能完全避免歧见和纷争。有时两个运动员到达终点的先后几乎“间不容发”,难分难解,对终点摄影识别和判读的学问甚至不亚于医生面对复杂的CT与核磁共振照片。1984年洛杉矶奥运会上,法国选手查多尼尔已经站到女子百米跨栏第三名的领奖台上向公众招手致意了,却又在刹那间被迫流着眼泪走下领奖台,裁判最后认定她的季军位置应该由美国选手吉姆.特纳取代。尽管专业计时员坚持认定查多尼尔领先并再三解释终点摄影仪的工作原理却无济于事。直到几个月后,这段公案在萨马兰奇的直接干预下才得以解决,法国姑娘领到了补发了铜牌。

为确保万无一失,两台终点摄影仪常常安放在跑道两侧相向拍照。此外还辅助设立另一套红外线激光计时系统,当运动员跨过终点线阻挡了红外信号,计时器便中断运行,并将成绩直接显示在体育场的屏幕上。

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终点计时的精确只解决了“一头”的问题,另一头起跑线上计时的重要丝毫不亚于冲线。1960年第17届奥运会上,百米金牌得主哈里以10秒的成绩打破世界纪录,但却被裁判认定为抢跑。哈里向法院提出控告后被要求重跑,多亏他经受了考验并保住了金牌。这类纠纷在田径比赛中不胜枚举。今天的起跑线上,抢跑犯规监测系统同样达到了千分之一秒的精确度。

从我们被一根针刺中到发出疼痛的喊叫,中间会有一个时间差。因为神经传递速度有限。据医学测定,人类对刺激的反应约为0.1秒。运动员从耳朵听到枪声到大脑对肌肉发出指令同样有诸多生理环节。因此哪怕起跑确实在枪响以后,但只要时间少于0.1秒便可认定为抢跑。谁也别想再靠着“蒙”和“猜”投机取巧了。

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和起跑器联动的发令枪

这是一个安装在起跑器上和发令枪联动的传感装置,当压力达到男子29公斤,女子27公斤时便会被触发,并显示出运动员起跑反应的时间。抢跑违例者将会被自动召回。1988年汉城奥运会上,德国十项全能选手海格森虽然贵为前世界纪录保持者,但因为连续三次抢跑千分之一秒被取消资格。中国运动员刘翔在2004雅典奥运会上以12秒91的成绩平110米跨栏世界纪录,还要归功于他0.13秒的完美起跑时间。不过话说回来,如果那次刘翔的反应再快百分之一秒,新的世界纪录就会诞生了。

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游泳池里的冠军和第八名之差也常常取决于零点几秒。1968年墨西哥奥运会上,终点电子触摸屏首次登场亮相。这是一块90厘米高,2.4米宽的平板,三分之二浸没在水中。能够灵敏感受运动员手指轻微的触摸却对波浪的拍击不作反应,计时精度达到千分之一秒。“鱼雷”索普是5块奥运金牌获得者,他最难忘的记忆是15岁那年在英联邦运动会上,触摸屏显示以百分之一秒之差,使他失去了第一次打破200米自由泳世界纪录的机会。1988年,加勒比海小国苏里南全国放假一天,庆祝他的运动员内斯蒂在汉城奥运会上获得男子100米蝶泳金牌,这位“浪里黑条”仅以0.01秒的优势战胜了美国名将比昂迪。

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游泳池的出发台和田径赛的起跑器一样装有压力传感器,防止运动员提前入水犯规。1991年澳大利亚世界游泳锦标赛上,计时系统无情显示美国女子接力运动员抢先百分之一秒跳入水中,使得正在拥抱欢呼夺得冠军的姑娘们转而失声痛哭。这样的悲喜剧在人工计时的年代是不可想象的。

体育运动中的计时是无处不在的。在自行车、赛艇、马术、冰雪运动等项目中,计时精度都达到了千分之一秒。篮球场上的3秒违例、24秒投球、终场倒计时往往决定比赛的胜负。帆船竞赛中的计时则已经装备了GPS全球卫星定位系统。

从一块秒表长成一个根须四布、叶茂花繁的计时系统,奥运会用了100多年,我们定格和保藏了奥运会历史上许多最伟大的时刻,并继续在运动场上牢牢掌握着时间。

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7 Responses to “看完热闹看门道——奥运中的科学(二十七)”

  1. 岛上有只猫说道:

    现在终于弄明白里面的原理了

  2. [...] 运动场上的“时间简史”(因此哪怕起跑确实在枪响以后,但只要时间少于0.1秒便可认定为抢跑。) [...]

  3. 检针机说道:

    历史悠久的奥运会!

  4. [...] 上一篇:运动场上的“时间简史” 标签:原创, 奥运, 测距, 科学, 科技之光 [...]

  5. liangkulang说道:

    一部计时仪器的发展史啊!!

  6. zoz说道:

    我很怀疑1992年那张图片上面的笔记本是什么型号,1992年有那么宽屏幕小巧的笔记本电脑么

  7. 拼音佳佳说道:

    疑惑为什么不能以起跑器开关作为计时起点呢?那样一来就不存在抢跑的概念了,使得短跑成为纯粹的比拼速度的比赛,与运动员的反应速度没有丝毫的关系.