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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。

“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。”

奥运金牌之路

人类自古用金子来体现不朽的价值。奥运会把黄金制成奖牌授予每一届力拔头筹的冠军,于是金牌便标记了一个时代人类自身能力的“疆界”。夺取奥运金牌是每个运动员毕生的追求和梦想,而奥运金牌得主照例被尊为国家和民族的英雄。这些奥运赛场上啸傲风云的体坛翘楚从哪里来?一百年间,各国体育界和科学界都在不遗余力地探索和追寻,希望解读他们成功背后的种种奥秘。

我们常常怀着极大的兴趣,津津乐道于那些不胜枚举的“体育世家”。被称为“欧文斯第二”的美国田坛名将刘易斯,父母兄妹都是煊赫一时的田坛英豪;2005年墨尔本体操世锦赛上独得两金两银的美国小将柳金是前苏联体操名将柳金的女儿;日本体操巨星冢员光男的儿子冢员直也2004年登上了雅典奥运会的冠军领奖台;拳王阿里的女儿莱拉接过父亲的拳击手套,成了无往不胜的世界女拳王;威震网坛的大小威廉姆斯是并蒂连根的姐妹花;“小巨人”姚明的父母都曾担任中国国家篮球队的主力;还有广为人知的陈镜开举重门第,传为佳话的穆祥雄游泳世家。金牌明星“宁有种乎”?和其他行业相比,体育界的“血统论”似乎能找到更多的论据。德国科学家格拉姆说:具有卓越运动才能的亲代,其子代拥有优秀运动天赋的概率为50%,并且很有可能超越亲代。

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女拳王莱拉和父亲阿里

“种瓜得瓜,种豆得豆”,便是对遗传最浅显直白的描述。地球生命靠着遗传保持子代和亲代的相似,维系物种的稳定。人类细胞核中23对染色体是遗传的载体,主要由脱氧核糖核酸即DNA构成,这些神奇的大分子双螺旋长链携带着遗传物质“基因”,被称为生命密码的“天书”。亚洲人的平均身高不及欧美,非洲某些地区黑人的红肌比例和最大耗氧量明显高于其他种族,人类的许多运动才能都是与生俱来并无可更改的,没有运动天才就没有优异成绩。众多的杰出运动员并不出于名门之家或体育望族,这并不意味着他们“运动天赋”的缺失。或许由于遗传的变异,或许来自隐性遗传,站在奥运领奖台上的明星无一例外都从娘胎里带来了争金夺银的“本钱”。基因是金牌的“基本原因”。德国著名运动医学家霍夫曼说,人的运动机能60%来自遗传,只有40%靠训练等外界因素制约。遗传是运动的物质基础。另一方面,也正因为遗传的保守是相对的,变异是绝对的,体育成绩才能不断突破极限。关于人类运动能力分子遗传标记的筛选和确定,已经取得了长足进展。

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科学选材的实质,是培养体育明星“从娃娃抓起”,把先天条件优越,适合某项运动的“好苗子”从小甄拔出来,进行一定年限的系统定向培养,让儿童时代的成材可能性转化为比赛年龄的成材现实性。准确的选材是成功的一半,如果选材“押错了宝”,此后的任何训练都将成为无效劳动。选材的核心是预测,这不是“算命”而是一整套严谨的科学程序。刚出生婴儿是无法进行预测的。只能根据一定年龄的“小选手”各项遗传和生理指标进行“趋势外推”,或通过“德尔菲”法进行专家评估。其中骨龄检测便是极为重要的一项指标。

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体操“苗子”在进行耐力训练

人类骨骼发育的过程始于骨化中心的出现,随着骨化区域不断扩大,经过一系列规律性变化,逐渐达到成熟的骨骼形态。骨骼年龄即“骨龄”,比“日历年龄”更能客观精确反映儿童生长发育的真实水平。人的手部荟萃了长骨、短骨和圆骨,是全身骨骼状况的缩影。取下一张非惯用手的X光片,依次对13块手部骨的影像进行判读,对照标准图谱确定儿童的骨发育等级,如果“骨龄”符合或稍小于“日历”年龄,表明“小选手”有较大的生长潜力和发展余地。骨龄大于自然年龄2岁以上的“早熟儿”和提前出现骨骺真性闭合的“老少年”则培养前途有限。受试者可以隐瞒年龄,却无法掩盖骨龄。此外诸如指纹掌纹形态,都具有高度特异性、遗传性和稳定性,与身体某些运动素质存在对应关系,可以作为选材的参考,这和“看手相”测算穷通祸福的迷信完全是两码事。

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骨龄X光片读片位置和读骨顺序

当我们为篮球场上“巨人如林”的阵容惊叹时,不应忘记身高与灵活的统一;体操场上“身轻如燕”的袖珍型明星具有最小的转动惯量,但需要兼顾动作的幅度和美感;跳高运动员“蜂腰鹤膝”的颀长身材有利于提高起跳前身体重心高度;举重大力士的体态概括为“矮短粗宽厚”,使得举铃高度降低,并能用大手牢牢抓杠、大脚建立稳定的支撑面;游泳选手则要求身高腿长、肩宽臀薄、骨盆狭窄、手脚硕大,为了在水中形成截面积最小的流线型体态并增大划水能力;射击运动员更看重沉静稳健的心理素质,反倒对视力不甚苛求。今天奥运赛场28个大项302个小项可以分为不同的“项群”,每项运动都需要一块独特的“料”。幸亏“天公”从来是“不拘一格降人才”的,世上良驹常有,只待“伯乐”的科学慧眼了。

然而运动天赋再高,如果不能“训练有素”,就不过是“浑金璞玉”。训练的原理在于人能够对外界刺激产生适应性反应。加在运动员身上的负荷会打破身体原来的平衡,经历了适应过程建立起新的平衡后,运动素质就得到了提高。大负荷的训练往往趋近运动员的“极限”,即“生理界限”和“病理界限”的临界点。人一般在4岁到17岁之间对刺激最敏感,“训练效应”最强,最能诱发出身体的运动潜能。因此“童子功”常常是受用终身的。多年来,许多优秀教练员创造了等长训练、超等长训练、离心训练、间歇训练、循环训练、项群训练等方法。一个重要共识认为“竞赛是最好的训练形式”,这也是当今世界重大体育赛事日益频繁的原因之一。

1968年墨西哥奥运会后,高原训练受到普遍重视,在海拔2000米的低压缺氧环境下,运动员的心血管系统功能会比在平原地带经受更大考验,红血球的增多能带来载氧能力的提高。“仿高原训练器”的储气罐模拟高原地区稀薄的氧气比例,运动员背着这种设备训练,能收到身临高原的同等效果。美国马拉松名将萨拉萨尔1981 年 10 月在纽约马拉松赛中创造了当时的世界最好成绩 2 小时 08 分 13 秒,就得益于平时使用这种高原训练器。

我们对计算机的最大误解,在于曾经把它当作一个超级算盘,此后才终于正名为“电脑”。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。对训练负荷的控制不再凭主观的模糊感觉而凭客观的精确数据,使运动强度、密度、周期更加合理;技术动作的诊断不再仅靠教练的一双肉眼,而靠高速摄像机和计算机将“动作捕捉”的图像条分缕析,找出最细微的缺陷和不足。一个早期的经典案例是,美籍以色列科学家分析了美国铁饼运动员威尔金斯的动作,发现没有正确刹住膝关节是妨碍进步的症结并进行了有效纠正,使威尔金斯的成绩一举提高3.86米而打破了世界纪录。衣阿华大学研究中心将田坛巨星刘易斯的跳远姿势、重心轨迹和空中动作等数据输入计算机系统,让运动员都能“见贤思齐”,对照“榜样”的标准动作修正自己的各项参数。

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使用电子测速仪进行田径训练

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贝利1996年亚特兰大奥运会破百米世界纪录的速度曲线

1986年在法国举行的男子排球世界锦标赛上,美国队破天荒战胜雄霸排坛的前苏联队,其中的一大奥秘是靠计算机进行“暗算”。美国队在分析了苏联二传手扎伊采夫的全部录像资料后,摸清了这位“灵魂人物”的分球路径,并针对他的技术模式设计出训练软件,使得扎伊采夫临场上的战术意图尽在掌握之中。赛前“敌情侦查”是计算机的拿手好戏。

体操和跳水等项目的创新动作究竟是否可行,已经不必先让运动员“亲力亲为”冒险尝试。由计算机进行“沙盘推演”,算出完成动作需要的力量、角度、高度、时间等参数,运动员就能心中有数并“量力而为”了。计算机仿真训练则能让运动员“身处暗室”却得到身临雪橇滑道等运动现场的真实体验。

海拔1600米的科罗拉多训练中心也是美国奥林匹克委员会的“大本营”。1976年在蒙特利尔奥运会上“败走麦城”后,美国体育界“痛定思痛”,紧急出台的措施便是建立科研和训练合一的体育训练基地。1978年正式挂牌的科罗拉多中心从美国各地选精拔锐,招募了一大批著名的运动力学家、运动生理学家、医生、心理学家和计算机专家,并建造了最先进的训练设施。这里的田径跑道安装了电子传感器,先进的游泳水槽能记录运动员的各种参数,西半球最大的室内射击场使用了激光瞄准装置,体操馆、举重馆的测力台和动作捕捉仪随时“左右伺候”,自行车训练器将道路坡度、骑行风阻、运动员血压、心率、力量输出和热量消耗等数据自动显示。信息中心则收藏了全世界优秀选手的录像资料。兴建大型体育训练中心,这是理念的重要转变。与一线脱节的“个体户”式松散科研已经不能担负现代体育训练的繁难使命,整体大于部分之和,集中人财物力建成跨学科、跨领域、“成龙配套”的训练基地,是实践证明了的成功经验。近年来世界各地先后建立起“大而全”的训练中心,暗喻着体育界进一步认同了科学的崇高地位。

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科罗拉多训练中心雕塑

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科技之光记者在科罗拉多训练中心采访美国女排主教练郎平

蓦然回首,百年奥运已从细浪潺湲的溪流变成波澜壮阔的大河。古希腊的神话也变成了今天全人类的神话。我们的孩子从奥运会上认识了许多美丽的国家,在奥运会这个“体育联合国”的五环旗下,不同文化和信仰的人们多了一条彼此走近的理由。而当科学的光芒照耀体育,明天的奥运会将开出更加灿烂的人类文明之花。

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One Response to “看完热闹看门道——奥运中的科学(三十六)”

  1. [...] 看完热闹看门道——奥运中的科学(三十六) [...]