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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。

“聚乙烯、聚丙烯草株即使近距离熟视和伸出手触摸都和天然草并无二致。”

球场变革始于足下

2007年10月,NBA在中国上海和澳门的两场季前赛让无数球迷心旌摇曳、如醉如狂。两支正宗的美国职业篮球队不仅自带拉拉队,还自带专用的赛场地板,这种兴师动众的阵仗实在举世罕见。俗话说“百里不运粗”,NBA脚下的篮球地板究竟是“何方神圣”?值得不远万里空运到中国吗?

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2004年NBA中国赛安装篮球场地板

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这也许要从篮球运动的特色说起。不像举重、拳击、摔跤等项目按体重划分级别以确保公正,篮球场上无论运动员身高几许,球篮都是离地面3.05米,这就使得篮球成了“巨人的运动”。一个球队的实力首先体现在“空中优势”上,有了“制空权”就能更好在对方头顶上传球,而从正上方“扣篮”和“灌篮”时,内径45厘米的篮圈在投球的速度方向上是一个正圆,对于25厘米直径的篮球通过有很大的宽裕量。随着入篮角减小,篮圈在球的速度方向上变成了越来越“瘪”的椭圆,投进“空心球”的难度就越来越大。计算表明,当入篮角小于33度45分时,椭圆的短径将小于篮球的直径,这时球就会在击中篮圈后被弹走了。增加投球的出手点高度,可以减小投掷角度,缩短抛物线距离,提高投篮命中率,并防止对方封盖。因此“跳投”便成了优秀篮球运动员的基本功。跳起高度还能够弥补身材的不足。“飞人乔丹”起跳时能够离开地面120厘米,在空中“悬停”1秒钟,除了自身天赋和运动鞋的功劳,应该说,脚下的地板也发挥了特殊作用。

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投篮的入篮角

NBA篮球地板用硬枫木制成,坚韧度高,变形量小,具有良好的弹性和适度的摩擦力,细密修长的木纤维不会“起刺”。一个球场的240多块活动地板如同机器的标准零件,通过精密的滑槽、灵活的枢纽、特制的紧固系统组装成一个严丝合缝的整体。预铺的防潮层和面板之间有橡胶制成的软垫,使地板的“贮能模量”增加,因此具有更理想的弹性和减震功能,这便是为什么NBA大赛在自己带来的地板上进行就更加生龙活虎并“原汁原味”了。

体操运动员同样需要“空中优势”,但这里指的不是身材高大,相反高个子会因为转动惯量太大而成为致命的劣势。体操运动的法则要求运动员个子小但跳得高,因为一切复杂的跟斗和旋转都需要时间来完成,而只有跳得高才能提供停留在空中的足够时间。有些优秀体操运动员在完成高难度动作时身体重心的高度超过了跳高世界纪录。但体操运动员脚下却不能像篮球运动员那样穿一双“飞人乔丹”鞋。因为会大大增加身体的转动惯量,于是就更加依赖地板的弹性。体操地板同样是“悬空结构”,面材为坚实致密的硬木,下面均匀安装着排成阵列的弹簧和橡胶立柱,使得运动员踏跳时既富有弹性和减少震荡,又保持“脚踏实地”的牢固和稳定。此外,乒乓球、羽毛球地板都需达到规定的指标,排球地板则应该具有运动员扣杀和拦网时起跳所必需的弹性。

然而球类比赛场地中一个绝无仅有的例外,便是沙滩排球。在体育竞赛中,沙坑从来都是运动的缓冲设施,其功能在于将“动”平稳转化为“静”,现在却用45厘米厚的沙层当作运动场,似乎有些匪夷所思。但唯其如此,沙滩排球才有了不可取代的特色、趣味和魅力。

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工人为2008北京奥运会沙滩排球赛加工沙子

松软的沙滩和密实的地面有着不同的力学传导特性。如果把坚硬的固体比作“力的良导体”,那么沙层就只能算“力的半导体”了。当运动员的腿部蹬伸时,脚下的沙子会流动和被压缩,延长力的作用时间,减少脚对地面的冲击力,同时使脚得到较小的反作用力。沙层受力后没有“弹性形变”,只有“塑性形变”,对脚不产生任何能量回输,因此沙滩排球运动员的腿部爆发力难以发挥,无论跳跃高度、奔跑速度、制动时间都大打折扣,有测试表明,沙滩排球运动员扣球起跳时身体重心垂直上升速度为每秒2.72米,室内排球则为每秒3.52米。而沙滩场地要的就是这个效果。

可别以为排球用沙的来源多如“恒河之沙”。根据国际排联苛刻的标准,石英沙粒的形状太圆会影响场地硬度,太有棱角会在运动员倒地产生剧烈摩擦时感到疼痛,因此必须经过专门程序打磨;沙的颜色太白或太黄都影响电视转播效果,而必须将色度“勾兑”得恰如其分;沙中的粉尘会使沙地在下雨后板结刮风时扬灰,因此必须彻底清除。2008年北京奥运会沙滩排球的17000吨专用沙经过18000公里中国海岸线勘查,最后选自海南省东方八所,并经过加拿大实验室检测后才车载船装运到北京,一袋沙比一袋米还贵,身价和待遇照说也不低于NBA篮球地板了。

人们把足球场称做“绿茵场”,其中显然寄托了太多温情和诗意。柔软整齐的芳草地给奔跑中的运动员带来蓬勃朝气和身心舒适,草的高度正好把足球微微托离地面而便于施展技巧,跌倒后在草坪上滑动会切断草茎,叶片释放的浆液起着良好的润滑作用,骤停急转时草地对脚的缓冲能减小腿部的扭矩防止受伤。而对于现场和电视观众来说,草坪是比赛的“脸面”。球场上的“绿视率”更让人悦目赏心而不觉疲劳。至于草坪上那些浑然天成、整齐美观的图案和花纹,并非来自不同品种的草色差异。其中奥秘在于修剪作业时,机械按照不同方向的滚压使草的生长方向互相交错,造成了不同方向吸收和反射光线有强弱多寡之别。

不过“绿茵场”上的草大多都是3个以上的品种混合生长,黑麦草、结缕草、高羊毛、百慕大……不同品种耐践踏、耐干旱、耐严寒、抗虫害的性能高下互见,进行合理搭配能形成良好的互补关系,保证草坪的整体品质。灌溉、施肥、杀虫、中耕……草坪管理用得着一整套农作技术。雨天需要高效的地下排水系统,寒冷地区的草坪需要有电热丝或暖气管铺设的地下加温系统。草坪的高贵品相与娇生惯养在所有体育竞赛场地中是首屈一指的。

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草皮培植养护

1999年落成的英国卡迪夫千禧体育场不乏可圈可点之处,其中一大杰作,便是将天然草皮“化整为零”种植在7400个钢铁的托盘中,再“化零为整”拼装成一个天衣无缝的“绿茵场”。每个“模块”都可以灵活拆卸,球场中圈和球门区等处草坪容易受到更多践踏,这些“薄弱环节”的“模块”就可以更频繁更换。体育场还能将全部“模块”移走,承接其他大型展览和演出活动。足球比赛前再让草坪模块“紧急集合”就能应对裕如了。

2002年世界杯足球赛上贝克汉姆率领英格兰队战胜阿根廷队的历史性战役,就是在日本札幌体育馆进行的。这个“巨蛋