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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。

“如何更快捷、准确、可靠地丈量距离,是体育运动的持久课题。”

明察秋毫谈测距

1968年墨西哥奥运会的头号英雄,要数美国运动员鲍勃.比蒙了。他“不朽的一跳”创造了“神话般的奇迹”,以8.90米的成绩超越世界纪录55厘米。由于几乎跳到沙坑尽头,落在当时光学测距设备的计量范围之外,以至于裁判们不得不临时找来钢卷尺反复测量与核实。这个惊人的揭晓在记分牌上显示出来时,由于比蒙对公制量度缺乏概念竟一时回不过神来,当人们告诉他8.90米等于29.25英尺,比蒙才顿时激动得长跪不起,热烈拥抱和亲吻大地。这一纪录直到23年后才被鲍威尔在东京以8.95米的成绩所打破。

墨西哥奥运会上为比蒙跳远测距的光学仪器竟然会无能为力,世界大牌明星比蒙竟会只知道英尺不知道公尺,这无疑都涉及到运动场上的测距问题。

测距和计时一样,是体育竞赛的生命线。一切运动都离不开在三维空间中的精确定位,许多项目的成绩都是以路程和位移的量化为最终结果的。而“差之毫厘,失之千里”的古谚应该是对运动测距的最好描绘了。

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1948年伦敦奥运会用手电筒和卷尺测距

早期运动场上测量工具是皮尺,由于具有伸缩性并容易在风中飘动和扭结,测量的精确性大打折扣。自从发明了钢卷尺,测量更加可靠了。但操作不便,气候影响,距离限制等因素仍长期困扰着运动场上的裁判。人们曾想出各种办法改进测距手段。1948年伦敦奥运会上出现了“机械测距”,把标尺固定在跳远沙坑旁,上面垂直安装一根既能滑动又能转动的横杆,可以在运动员完成动作后立即放下来和沙坑里的落点“对齐”并读出成绩。1968年墨西哥奥运会上使用了早期的光学测距,这是一个长长的如同滑轨的钢尺,平行放置在沙坑旁的半空中,一只望远镜般的光学仪器就象磅秤上的砝码可在钢尺上移动,当它垂直对准沙坑里的落点时,钢尺上的刻度便显示出跳远的成绩。比蒙就是因为跳过了钢尺滑轨的尽头,才导致这种光学测距仪“望尘莫及”的。

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1948年伦敦奥运会机械测距仪

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20世纪60年代的光学跳远测距仪

奥运会上“统一度量衡”无疑是重要的里程碑,如果你用英尺,我用市尺,他用公尺,测距就会成为“鸡对鸭讲”。1908年伦敦奥运会的一大贡献便是确定了米制为通用标准,从此大家便都用量度单位的共同语言与国际接轨了。但直到1968年,饱经沙场的比蒙还对米制单位如此生疏隔膜,可见习惯和文化之间的“距离”多么难以“测量”。

由于距离测量的失误带来的严重后果在体育比赛中时有发生。1932年洛杉矶奥运会上,美国选手梅特卡夫卡的200米赛道多出了2米,致使夺冠的希望破灭;3000米障碍赛中所有运动员都多跑了一圈,致使本来应该获银牌的美国运动员麦克斯基在额外的最后一圈被人超过而变成了第三名;1956年墨尔本奥运会小口径步枪60发卧射比赛中,加拿大选手奥里蒂以完美的600环创造了世界纪录,但后来发现射程距离比奥运会标准短1.5米,记录不能被正式承认;2000年悉尼运会体操比赛中,由于跳马的安放和调整失误,比标准高度矮了5厘米,致使包括霍尔金娜在内的体操明星在比赛中“前仆后继”,一个个都摔得晕头转向; 1965年中国第二届全运会10000米竞赛由于少记一圈,致使这一项目没有成绩。

如何更快捷、准确、可靠地丈量距离,是体育运动的持久课题。现代科技发展使测距手段与日俱新。当我们看到今天的选手把标枪、铁饼投出后,便有一位裁判在落点插上标志,接着安放在远处的激光测距仪便立即报告出准确的读数了。

让光线代替人来回跑一趟,便是这种测距仪的工作原理。看不见的波长900纳米红外激光对人眼无害,能迅速投射到落点标志上反射回来并被接受。通过比较发出的光线和接受的光线波长相位的差异,便能准确计算出往返距离的长度。

而最新的激光测距仪则连续发出短促的激光脉冲,然后接受从测量标志上反射回来的信号。尽管光线的速度为每秒30万千米,但精确到纳秒的仪器却能够准确测出激光走完一个来回所花的时间,剩下的就只是简单计算了。

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激光测距仪 激光测距仪工作原理

每次插在落点处的“标签”也有特别的构造。它的顶端是一个复合的三棱镜,也称为回射器。光线无论从什么方向射来,它都能按照原方向反射回去。对于灵敏度极高的测距仪,接受这样“剂量”的信号已经绰绰有余。

测距仪决不会安放在运动员的正后方,因此激光跑过的路程实际是落点到仪器间的距离。测距仪自然会用余弦公式算出正确数据。

我们看到跳远选手如果起跳犯规,显示屏上就会立即发布他超过起跳线的距离,并能准确报告每个运动员起跳点的数据。这项技术是让一排平行的红外激光束沿垂直方向紧贴地面横扫过起跳板所在的区域,当某一排光束受到选手起跳脚的阻挡时,接受器便会显示出对应的位置来。

长跑运动员临赛前,都会在身上佩戴一个钮扣般的小芯片,其中输入特定的个人信息。经过跑道上的计圈器时,芯片发出的信号就会被接受和处理,并在屏幕上显示出运动员剩余的圈数。选手们都可以放心大胆的奔跑,而不必暗中默默给自己“记账”,记圈员也不再担心长跑中被运动员们“套圈”套糊涂了。

2007年4月15日在匈牙利德布勒森举行的国际马拉松比赛中,肯尼亚选手菲利普以2小时10分46秒获得冠军,这是一个十分可喜的成绩。然而事后发现由于测量疏忽,整个赛程距离少算了2200米,为此匈牙利体育官员以公开信方式表示遗憾和道歉。马拉松和其他公路长跑的赛道勘测和丈量是一大学问。必须由国际田联颁发了A级或B级证书的测量员骑着安装了尤尼斯.欧尔斯计数器并经过校准的自行车来完成。这种计数器通常固定在自行车前轮左侧的轴上和轮辐联动。车轮每转一圈计数器便走动约20个数字。由于车轮圆周是一个定长,整个赛程起始点的距离就很容易确定了。

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马拉松测距计数器

尽管1924年国际田联正式确定马拉松赛程的距离为42.195公里,但由于考虑到自行车测距中可能出现的微小误差,因此按每千米额外多增加1米来测量,计数表上的有效里程实际为42.237公里,充分体现了规则制定的“宁严勿宽”。更重要的一个共识是,由于马拉松和其他公路赛经常有弯道,而选手们完全可以充分利用道路的宽度对赛程“裁弯取直”,“弃弧走弦”,尽可能寻找捷径。这就要求测距员具有高度的职业水准,能骑着自行车先行选择一条最短的路径让人无空子可钻。