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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。

“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。”

泳池哪得清如许

如果没有水波和浪花,奥运会将变得多么枯燥和单调!游泳和跳水从来是举足轻重的金牌大户,也是上座率和收视率高居榜首的热门项目。如果说坚实的地面是奥运会“陆军”角逐的战场,那么清澈晶莹的游泳池便是奥运会“水师”的用武之地了。

人类历代祖先都是从江河湖海中“识水性”的。当1896年雅典第一届奥运会把游泳列为竞赛项目时,赛场就自然而然摆到了爱琴海的皮雷埃夫斯港湾。参赛选手被轮船送到海上的出发点,一长串漂浮的南瓜是路线标志物,终点设在未经准确丈量的岸边。号称“匈牙利海豚”的第一届奥运会冠军阿尔弗雷德事后回忆说,“在寒冷的13度海水中,迎着12英尺的大浪,我求生的渴望压倒了夺取冠军的激情。”

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1900年巴黎奥运会的游泳同样在天然水体塞纳河上举行。这种原始的比赛环境显然无法确定运动员的真实成绩。海水的浮力大于淡水,而江河具有一定的流速。1908年伦敦奥运会,组织者在白城体育场中间挖了一个100米长的游泳池,虽然“水陆同场,游跑并肩”,但奥运会比赛总算第一次在人工游泳场进行了。

此后的游泳池往往“一专多能”。1948年伦敦奥运会拳击比赛的“擂台”就是游泳池上搭起的一座小桥,让选手们饱受水面散发的氯气熏呛之苦。1964年东京奥运会游泳池在比赛结束后就铺上地板变成柔道竞技场了。

随着生产力突飞猛进的发展,奥运会游泳池作为水上项目的“操场”也日益正规化和专门化。迅速增长的社会需求更使游泳池修建越来越成为“小菜一碟”。几十年间,地球上的每座城市乃至大学、旅馆、私人寓所都拥有了游泳池。这是一个五光十色的游泳池家族,有室外室内之分,海水淡水之别,堪萨斯露天泳池面积相当于城市的半个街区,布鲁塞尔的耐莫33游泳池深33米,是世界著名的潜水胜地,而智利的圣.阿尔芬索海水游泳池长1000多米,面积达8万多平方米,被列入吉尼斯世界大全。但他们的功能都只限于公众的休闲娱乐,不能用于正式的重大比赛。

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智利圣.阿尔芬索海水游泳场

现代的奥林匹克标准游泳池的尺寸应该是恰到好处的。长度50米,允许误差值为正3毫米,但不能短一丝一毫,并且必须用激光测距仪认定。宽度25米,深度以2米为宜,正是这个2500吨的“水体”凝聚了无限的智慧和创造力。

打从1920年安德卫普奥运会上澳大利亚游泳选手控告美国队阻挡他们前进,1924年的巴黎奥运会便第一次用绳索穿上软木块,在游泳池面拉起了8条漂浮的分道线。今天高水准的游泳池大都有10个泳道,分道线用不同颜色的塑料小叶轮串接而成,当运动员激起的水波向相邻泳道传递时,首先就会驱动这些小轮子旋转,吸收和消解大部分能量,有效减少了彼此之间的干扰。

灯光调控在最佳的水平照度、垂直照度和标准色温,并且不在池壁上投下影子;高灵敏度的计时触摸屏精确到千分之一秒;设有压力传感器的出发台得心应手又铁面无情;大屏幕电视和成绩公告牌及时传递着赛场的信息,无论运动员、观众和传媒记者都能处处享受到现代科学的恩惠。

可别以为游泳池就是在地上挖个坑再灌满水。现代游泳馆是一个精妙复杂的高贵建筑,悬空的池底铺满纵横交错的管道,外壁四周支撑着成排的液压钢架,整个游泳池完全像一个巨大“保温瓶”的“内胆”,是一个被高科技捧起的掌上明珠。

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1, 氧气分子 2,紫外线作用 3,臭氧形成 4,强氧化功能 5,活性氧

也别以为池子里会是死水一潭,数台强大的水泵驱动着满池清波不断循环。由3个氧原子构成的臭氧大量分解出游离氧,高效、广谱杀灭各类细菌并氧化水中的有机物。这种氧气的同素异构体氧化能力比氯气强得多,却不会产生化学残留物带来二次污染,杀菌效果比紫外线好得多,却不会由于直线传播而留下死角,同时具有理想的除臭、去味、脱色功能。由石英砂、活性炭、硅藻土等制成的过滤器将毛发和各种杂质去除,使游泳池的水质保持最佳透明度,并始终达到饮用标准。

无论春夏秋冬,风霜雨雪,游泳馆里必须四季如春,池水温度严格保持在25至28摄氏度。这里的恒温系统大多以高温蒸汽为热交换传媒,而汩汩暖流从均匀分布的水口缓缓流出时,并不会造成对池水的干扰和搅动。游泳池的恒温还不仅为了保证运动员感觉舒适,中国宋代科学家沈括在观察漏壶时就发现“冬日水涩,夏日水利”,科学试验表明,流体的粘滞性随温度升高而降低。水温每升高5摄氏度,粘滞性将降低大约10%。因此不同温度的水会因摩擦阻力不同而影响比赛成绩。不过,如果你要指望到粘滞性较小的30多度热水中打破世界纪录的话,一定会很快引起中暑。

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“梦溪笔谈”记述了漏壶“夏日水利,冬日水涩”的现象

而游泳池中所有物理化学指标都接受全自动监测系统控制。在回水管路上,不同的探头能把水的杂质、ph值、温度等参数传给电脑分析,然后准确发出相应的指令。

尽管游泳池已经清澈见底,但水花的飞溅和光线的折射仍妨碍对水下动作的欣赏和观察。巨大环形玻璃视窗也许是向水族馆学习的结果。而水下摄像机的安装则不仅延伸了观众的眼睛,也给裁判提供了更多依据。如果早有水下现场摄影装置,1956年墨尔本奥运会上前苏联和匈牙利水球队厮打混战、血洒波涛的事就可以有根有据地提前制止了。

因为女性是美丽的性别,花样游泳就成了专为女性设置的奥运会项目。但这些凌波仙子的“水上芭蕾”却是靠音乐的节奏来协调和指挥的。潜入水下后,空气中的声波被水面反射,完全不能听见。这时姑娘们接受的是来自水下扩音器的音乐指令。不过,她们听到的声音不是通过耳膜传递,而是水中的声波引起头骨的震动,使信号越过外耳和中耳直接传到内耳的耳蜗并被大脑接受。这种“骨传导”的声音像“水晶般的透明”,可惜失去了两只耳朵的听觉差来辨别方向,因此就无法达到立体声效果了。

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花样游泳运动员在水下无法听到空气中的声波

人的视觉同样会在水中大打折扣。由于水的折射率为1.33,和人的角膜的折射率1.37非常接近,因此在水中睁开眼睛后,角膜无法完成正常的“屈光”功能,就会使影像远远落到视网膜后面,如同戴上高度近视镜而变得两眼昏花。游泳运动员在水中使用防护眼镜,不仅为了避免眼球和水直接接触的刺激,还为了确保光线从空气介质射入眼睛,从而获得一个清晰的水下视野。

跳水池和游泳池的距离不得小于5米,这里却是一个三维空间的天地。百年以来,跳水设备最大的变化莫过于跳板的改进。1948年,诺曼第人巴克用二次大战剩下的300个铝管制造了一种“巴克跳板”,使弹跳性能大为提高。此后更坚实轻捷的铝合金跳板接踵问世,让1米板跳水成为可能。如今的跳板大都由木材、合金、玻璃纤维和碳纤维复合制成,具有良好的防滑表面。更轻的材质和更佳的弹性能减少对头部的震荡,并能将身体弹升到足够高度,为空中完成复杂动作赢得了更加从容和宝贵的时间。

从跳台上试一俯瞰,会看到水下连续的气泡或水面细小的射流激起轻柔的涟漪,这种“造波设备”是提示距离的醒目标志。游泳池太透明了恐怕找不准水面,设计者对运动员真可算体贴入微了。

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。来自开尔文“气泡构造”的灵感,3000多个四氟乙烯薄膜“气枕”砌起一座华丽建筑,用梦幻般的蔚蓝展示着水的柔情和水的质感。高度智能化的设施处处焕发着科技的光彩。国际奥委会主席罗格称赞“水立方”为体育界的“歌剧院”,中国公众则推选她为北京奥运建筑的“最佳女配角”。

谁说现代游泳馆不是体育的奇迹:她有大脑、有神经、有心脏、有新陈代谢、有恒定体温……当我们真实感受到这一切时,就会发现她仿佛是一个鲜活而美丽的生命。

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北京奥运会国家游泳中心“水立方”

 

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3 Responses to “看完热闹看门道——奥运中的科学(三十)”

  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 [...]

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