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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”型建筑的草坪足球场能够像抽屉一样整体滑动,从体育馆里拉进拉出。草坪作为需要阳光、空气和水的生命体,离开大自然怀抱就会枯萎凋零。终年“囚禁”在现代体育馆四壁的阴影里,只能靠顶部有限的“亮色”进行光合作用,加上长期通风不良,怎不让芳草变得“芳容憔悴”。当今许多体育馆都采用了这种壮观的草坪整体移动技术,巨大的钢铁托盘承载着连草带土的整个球场,停放在滚轮轨道上。只用不到一小时就能把诺大的地坪移动到位。没有赛事的日子里,草儿们可以在蓝天丽日下自由自在休养生息,“一声召唤”便能立刻以崭新面貌到体育馆靓丽出场。

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日本札幌体育场

不过,天然草坪几十年来一直遇到强劲对手“人造草坪”的竞争。1966年,号称“世界第八奇迹”的美国休斯敦体育馆大胆挖掉了自己的14000平方米天然草坪,率先换上了当时初露头角的人造草坪。因为他们无法养护巨大穹顶笼罩下“衰草裸土,形同菜地”的球场。人造草坪由美国阿斯特罗公司首创,于是“阿斯特罗草”便成了人造草坪的别名。1981年英国伦敦足球俱乐部皇家公园也铲除了天然草地改装“阿斯特罗草”。不过第一代人造草坪很快就声名狼藉,不仅因为质地达不到天然草的柔韧和弹性,运动员跌倒后身体和人造草纤维磨擦产生的高温还容易使皮肤灼伤并难以愈合,一种因畸形受力而罹患的足部疾患也被称为“阿斯特罗脚趾”。于是足球界出现了天然草坪的“大回潮”,一度“冒进”的体育馆纷纷“改邪归正”拆除人造草坪。1988年,英国足协禁止在正式比赛中使用人造草坪,此后国际足联也宣布人造草坪非法。谁也不曾料到,坚韧顽强的人造草坪此后通过不断改善自己的品质能再度扎根并“卷土重来”。

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人造草坪示意图

今天的人造草坪早已经告别了“地毯时代”。“第六代”的聚乙烯、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,千万吨硅砂和橡胶颗粒混合而成的“人造土壤”坚固、平实而富有弹性,牢牢支护着草茎不会倒伏,用回收耐克鞋粉碎后的橡胶粒作原材料曾在业内传为美谈。而成本低廉,养护简易,抗紫外线,全天候使用,寿命达20年以上,都体现着人造草坪的独特优势。特别对于“养草一整年,使用三个月”的严寒地区和高纬度、高海拔、地质贫瘠的“不毛之地”,人造草坪几乎是唯一选择。如今驰名足坛的皇马、AC米兰、阿贾克斯等球队都有自己的人工草坪运动场,欧洲足联早在2005至2006赛季就批准了使用人造草坪,国际足联则已经向“达标”的厂家颁发二星生产许可证了。人造草坪无疑具有光明灿烂的前景。

而天然草坪改进的步伐也没有停止,基因工程正加紧培养新的耐寒、耐旱、耐践踏草种。何况人造草坪无论如何仿真、逼真并达到乱真,也永远不能像天然草坪那样通过“新陈代谢”来降低在烈日下的“体温”,不能吸收运动员洒下的汗液,不能散发特有的迷人清香。无论从实用上、文化上、情感上,一个有生命的“绿茵场”都将是永远无可替代的。

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One Response to “看完热闹看门道——奥运中的科学(二十九)”

  1. [...] 序言 (竞技体育运动的目标是更快、更高、更强,其中绝大部分都和力学有关) 科技伴奥运同行(从某种意义上说,体育的竞争就是高科技的竞争) 撑竿跳的变迁(撑杆跳高演变的历史讲述了新兴材料如何将这项古老运动推向峰巅) 横杆下“钻”过去的跳高(明天会不会有新的跳高技术问世还很难逆料) 力量的飞翔(无论标枪、铁饼、铅球、链球,牛顿力学始终主宰着赛场上的一切。) 让重心“一路平安”(在许多运动项目里都需要尽量保持重心的匀速直线性。) 跑道春秋(和当年的前辈们相比,今天运动员的双脚已经踏在完全不同的地面上了。) 运动在“空气海洋”底部(奥运百年间,我们的无限心血和亿万财富都是为了对付“空气”而花费的。) 漫长的奔跑(马拉松的深刻隐喻本来在于克服距离对信息的障碍) 劈波斩浪走蛟龙(游泳时的三大阻力并非一成不变,总阻力基本和速度的平方成正比。) 美丽的“溅落”(离开跳板时只做前后翻滚的运动员却能在此后“凭空创造”出围绕身体纵轴的旋转。) 中流击水看飞舟(船体形状、材质和吃水的“湿面积”都是工程师殚精竭虑的课题。) 直挂云帆济沧海(当今帆船最高速度已经十分接近于公认的50节极限。) 体操ABCDE(当复杂而高速的空中运动在大约0.1秒间嘎然变成地上完全的静止状态,重力和翻转产生的冲击可达到体重的10多倍。) 靶场风姿(在“枪林弹雨”的射击场上,随机干扰因素很多,最宝贵的品格是气定神闲和心无旁骛。) 射箭的弦外之音(作为高效率的“能量转换器”,弓能够把70%至80%的弹性势能转化为箭的动能,“剩余”的能量则变成弓的阻尼震动。) 大力士的运动 (举重选手最动人的姿态要数高高举起杠铃的瞬间了,如果说双臂形成的V字象征胜利,那么这种V型姿势确实和胜利大有关系。) 自行车源流(自行车只有两个轮子却可以不倒,其中的道理曾引起人们长期的推究。这是一个可控制运动的稳定问题。) 从香蕉球说开去(球的旋转必然带来飞行轨迹的弯曲,旋转和曲线共存,这大约可以视为球类运动的一个通则。) 话说网球(随着网球拍制作技术提高和头部面积增加,“甜区”也不断扩大,让当代运动员尝到不少“甜头”。) 羽球穿梭(看来当我们说羽毛球是速度最快的球时,还应该加上一句,羽毛球也是减速最快的球。) 乒乓球的前世今生(上)(没有一种球像乒乓球那样,将花样百出的旋转作为常规技术形态和基本“杀伤”手段。) 乒乓球的前世今生 (下)(和21分制之相比,11分制意味着更多的“偶然性”。) 格斗的艺术(一个引人入胜的实事是,“左撇子”运动员在对抗性竞技中具有不容置疑优势。”) “软硬兼施”的护身术(体育的终极意义在于强健体魄和增进健康,运动中人的安全越来越成为现代文明重要的价值取向。) 运动鞋的功勋(今天的体坛明星有福了,许多厂商争相为他们量脚定做“独一无二”的运动鞋。) 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。) 明察秋毫谈测距(如何更快捷、准确、可靠地丈量距离,是体育运动的持久课题) 球场变革始于足下(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。) 泳池哪得清如许(2008年北京奥运会的国家游泳中心“水立方”也许称得上当代科技与艺术的结晶。) 体育场馆拾零(让我们把眼光离开运动场上那些高精尖的”前沿科技”,去观察一下许多司空见惯的“鸡毛蒜皮”,同样会发现有趣的知识。) 五环旗下的马蹄声(上)(在所有哺乳动物中,马的眼睛是最大的,虽然看去炯炯有神,但视力却只有0.6左右并且对颜色十分迟钝。) 五环旗下的马蹄声 (下)(可以预言,100年后的人类社会仍将“马照跑”。但人和马的关系大约还得调整。) 冰雪盛会(也许我们总有一天能建造更多“环球同此凉热”的人工冰雪场,但作为奥运会的“半边天”,冬奥会大概永远只会在地球高纬度地区的冬季举行。) 圣火不灭(历届奥运会曾经使用过火药、硫磺、树脂、萘、橄榄油、四氮六甲圜做火炬的燃料。) 奥运金牌之路(计算机的应用使体育训练真正从传统的经验型转为定量的科学型,大大缩短了优秀运动员“脱颖而出”的周期。) 后记 标签:专辑, 奥运, 新探索, 科学松鼠会, 科技, 科技之光 [...]