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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。

“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。”

体育场馆拾零

2005年6月14,雅典国际田联超级大奖赛传来捷报,牙买加短跑名将鲍威尔以9秒77的成绩打破了男子百米世界纪录。还是这位“牙买加飞人”,2007年9月10日又在意大利城市瑞提举行的国际田联大赛中,以9秒74打破了自己保持的世界纪录。接受记者采访时鲍威尔说,“假如今天的风速再理想些,我准能跑出更好成绩。”这是一句大实话。当顺风风速每秒2米时,百米成绩能比无风时快0.15秒。鲍威尔上次打破世界纪录就占了每秒1.7米“顺风”的大便宜。而美国选手盖伊2007年6月在锐步田径大奖赛中跑出9秒76的成绩超过世界纪录时,却因为当时跑进方向的风速达到每秒2.2米,高于国际田联规定的每秒2米上限而不被承认。真可谓“成也顺风,败也顺风”了。

同样的悲欢也落在跳远运动员头上。1968年墨西哥奥运会,比蒙的“世纪一跳”8米90就是在恰好每秒2米的“顺风”下“诞生”的。直到23年后的东京第三届世界田径锦标赛,美国选手鲍威尔才以8米95的成绩创造了新的跳远世界纪录。但几分钟前美国名将刘易斯就跳出了8米91,更早打破了“比蒙极限”,可惜当时的风速为正2.90米,因此纪录没有被承认。可见风的作用对田径比赛多么“生死攸关”。“好风凭借力,送我上青云”,不少世界纪录是靠着“搭顺风车”创造出来的。反过来,超过每秒2米的“顺风”又会将最出色的成绩“一风吹”。但无人抱怨这一规则的铁面无情。正如西谚所说,“风大的时候火鸡也会飞。”

球类运动项目对风速甚至更加敏感。在奥运会上,“大球”比赛风速控制在每秒0.5米以下,“小球”比赛风速不得超过每秒0.2米。2005年羽毛球世锦赛中,许多顶尖级好手都“望风皆靡”,运动员戏称美国阿纳海姆体育馆空调系统为“龙卷风”。 2008年北京奥运会新落成的羽毛球馆一改大口径送风的传统办法,将气流分解到观众坐席下的9100个通风口,便是为了确保馆内风速完全达到奥运会规定标准。

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1948年伦敦奥运会测量风速

如何迅速准确地测定风速,从来是竞赛场上容不得半点含糊的大事。19世纪中期人类发明了鲁滨逊风速仪,将4个半球形的“杯”按“杯口”垂直于地面方向,顺次安放在十字形水平支架外端形成“杯轮”,因为“杯”的凸面和凹面在空气中的形状阻力差异很大,无论风从何方吹来,都会形成力矩差,带来“杯轮”沿竖直轴向同一方向旋转。由于对称放置的“杯”容易彼此遮挡并受另一边力矩的抵消,“杯”的线速度只能达到风速的三分之一。1926年,加拿大人帕特逊制造了互成120度夹角的3“杯”风速仪,使“杯轮”的持续转动力矩明显增大。另一种旋翼式风速仪的“翼轮”沿水平轴转动,如同磨坊的风车和电扇的桨叶,具有很高的灵敏度和匀速性。此后出现的“热丝”型风速仪则完全另辟蹊径,用电流将电阻丝加热到环境温度以上,由于不同速度的风对电热丝的冷却作用不同,便可通过测出电压或电流的变化来计量风速了。

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热线风速仪

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超声波风速仪

今日运动场上常见的超声波风速仪诞生于上个世纪70年代。它的基本原理是,让成对的交换器相互发出和接受超声波脉冲,由于空气是声波传递的介质,气流运动的速度会影响声波传递的速度,因此,通过测量和计算超声波传递中的时间差就可以确定风速的大小。跳远竞赛和百米竞赛分别需要在跑道旁1.22米高度测量出直接影响运动成绩的5秒和10秒平均风速。

当美国网坛名将罗迪克以“火箭发球”频频得分后,球场屏幕和电视上都会同时公布他惊人的发球速度,中国羽毛球选手付海峰一记劈杀,观众便能马上直接看到这个每小时322公里的世界纪录。对球速进行准确及时地现场报告,不仅是运动员的一大刺激点和兴奋点,也是当今各种球类比赛的一大“卖点”和“看点”,让观众“定量”了解运动员的能力和技巧。究竟是一个什么系统在完成此项繁难使命呢?

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运动场上的测速仪

这便是“默默无闻”蹲在赛场后面角落里的球速测量仪。要了解它的工作原理,不妨先重温一下我们生活中都曾有过的经历。当汽车疾驰而来时啸声尖锐,绝尘而去时笛声呜咽,这种声调的变化是“声源”运动的结果。发声体的振动使周围空气产生疏密相间的纵波叫声波,开来的汽车能将声波的疏密间隔“压”得更紧,带来频率增高;离去的汽车却将声波的疏密间隔“拉”得更开,造成频率降低。于是我们便听到了高低不同的声调,这种现象称为“多普勒效应”。电磁波比声波的传播快将近百万倍,但同样会产生“多普勒效应”。交通警察的“雷达枪”把一束微波射向行驶的汽车,反射回来的微波再被“雷达枪”接受,通过比较发射波和反射波频率的不同,就能立刻计算出汽车的速度来。运动场上的球速测量仪和交通警察的“雷达枪”原理一样,不过发出的微波是射向飞行的球,根据接收到回波的“多普勒频移”计算出球的飞行速度。必需提及的是,交通警察的“雷达枪”和运动场上的球速测量仪都应尽量放置在运动目标的正前方或正后方,偏离角度越大“多普勒效应”越弱,测量的误差越大。

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声音传播中的多普勒效应

2004年美国网球公开赛中,小威廉姆斯在关键时刻的一记漂亮回球被错误判罚为出界,致使对手卡普里亚蒂获胜。尽管司线员明确表示球落在界内而裁判阿尔维斯却不予理睬。这一事件直接促进了“即时回放系统”的亮丽登场。媒体兴奋地说,如果裁判的两只眼睛无法适应今天的球速,就让高科技的第三只眼睛早日睁开吧!

“即时回放系统”有个绝妙的别名“鹰眼”,正好出自发明者霍金斯姓氏的前4个字母。“鹰眼”能在10秒时间内,将球在三维空间飞行的动态轨迹和精确落点展现在大屏幕上,不仅避免了无谓的纠纷和争执,监督了裁判的失察和不公,还给观众带来了新的视角,增加了新的观赏元素。2006年纳斯达克100大师赛中“鹰眼”系统首次正式使用,运动员每盘有两次机会申请“鹰眼”仲裁。

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“鹰眼”即时回放系统

“鹰眼”为什么能如此“明察秋毫”又“面面俱到”?这是一个由10台高速摄像机和数台电脑以及大屏幕组成的系统,计算机将球场上整个立方空间划分为毫米级的测量单元。安放在不同位置和角度的高速摄像机全息捕捉网球运动的基本数据,再通过电脑成像技术,重建与合成网球飞行轨迹的三维图像并显示在大屏幕上。国际网联表示了对“鹰眼”的高度认同和欣然接纳。网坛巨星阿加西说:“在我20年的职业生涯中,这项新技术为网球增添了新的维度,无论对于运动员、球迷和电视观众都是最值得兴奋的事。”

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。当绿茵场上的足球运动员被踢伤后左盘右旋疼痛难忍时,常会看到医护人员飞奔而来,拿出一只小“喷壶”往伤痛处喷射一些雾剂,“壶”里究竟是什么“药”呢?原来是密闭压力下的氯乙烷。这种液体的沸点为摄氏13度,喷到运动员皮肤上立即“沸腾”并带走大量的汽化热,使创伤处急剧降温。冷冻能使神经传递速度减缓,冷的感觉能压倒痛的感觉起到局部麻醉作用,并能刺激血管收缩减少出血,难怪这种“冷疗”常常能立奏奇效了。

这里还想关注一个运动场上被熟视无睹的“日用品”,那就是体操、举重、投掷、攀岩都须臾不可或缺的“镁粉”。这种白色粉末的“真实身份”是碳酸镁,许多文献和生产厂家都说,“镁粉”的功能是吸汗,保持手的干燥,增加和器械之间的摩擦力,以免打滑和脱杠,应该是简明扼要的介绍。然而几乎同样数量的文章指出,潮湿的手摩擦系数更高,例如刚洗过的脚穿进鞋子困难,数钞票时要在指头上蘸水,抡大锤时往手上吐唾沫并造出了“唾手可得”的成语。而早期的铅球运动员投掷时也确实往手上吐唾沫。因此认为“镁粉”的作用是通过吸潮减少摩擦力,以免运动员在“大回环”等动作中磨破手皮。并且反问道如果“镁粉”仅为了增加摩擦,何不把器械表面做成“砂纸”?

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镁粉改善对器械的把握

真理毕竟只有一个。实验表明,在平滑的玻璃上拖动一个重物,使用“镁粉”后摩擦力增大,但在粗涩的橡胶上拖动同一个重物却摩擦力减小,可见“镁粉”到底增加还是减小摩擦力并不能一概而论。

对于“镁粉”良好的吸湿性从来无人怀疑,但碳酸镁吸水究竟是颗粒空隙间的吸附,还是形成了进入碳酸镁晶格的“结晶水”?论者又各执一端。最后还得请科学实验出来说话,X射线晶体结构衍射测试表明,“镁粉”对水分的吸收完全是微小颗粒周围的吸附,这一过程中,碳酸镁分子的晶体结构没有发生变化。

看来对“镁粉”功能合理的解释也许应该是,当手上的汗液形成了光滑的“水膜”时,“镁粉”吸湿增加了手和器械表面的摩擦力而防止打滑;但手掌在器械上急剧转动时“镁粉”又能起到衬垫作用,相当于在中间添加一层“小球”作“滚动摩擦”。“镁粉”同时还填平了手掌的褶皱和纹路,增加了和器械的接触面,将握力变得更加实在和均匀。总之“搽粉”能改善手对器械的把握,让摩擦力在合适范围内易于控制,使动作更加随心所欲和擒纵自如。

高科技大约不屑一顾的“镁粉”尚且有诸多学问,可见运动场馆的确是个“知识密集”的地方,只要留心观察,就会发现许多看来简单而实际并不简单的东西。

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6 Responses to “看完热闹看门道——奥运中的科学(三十一)”

  1. very good说道:

    very good!

  2. [...] 上一篇:体育场馆拾零 标签:奥运, 科学, 科技之光, 马术 [...]

  3. Greg_W说道:

    板凳~

  4. jinvenus说道:

    学到不少知识

  5. 大水牛说道:

    平常中蕴藏大智慧,学习了!感谢楼主的帖子!