[原文在此。译者：SNOW LEE，又名"slowly"，遥感专业博士，因爬行速度与科研速度同样缓慢而得名。喜欢运动，喜欢新鲜事物，喜欢探讨纯净的科学。坚信人生不止要为目标努力奋斗还要懂得欣赏沿途的风景（所以我慢慢爬）。]

“你是如何做到仅穿一条泳裤在零度以下的水中游泳呢？” Duncan Graham-Rowe采访一位冰泳者。

Lewis Gordon Pugh正审视着位于南极冰盖边缘的这片海域，他身下的海水温度并不比0℃高出多少。但Pugh毫不迟疑地脱掉外套，仅穿着泳裤跃入了水中。

大多数人跳入这种冰冷的水里将无法控制自己的呼吸。而Pugh的呼吸却并未受到干扰，并且他还能在水中自如的游泳。2005年12月，当Pugh一头扎入寒冷的海水之后，他仅用了18分钟多一点的时间便在这刺骨的水里游了1公里。许多普通人倘若待在如此冰冷的海水中几分钟之后便会溺水身亡。但Pugh不仅活了下来，还在这极度冰冷的水里游了相当长的一段距离。是什么让他能在极端寒冷的情况下继续游泳呢？

上个月公布的对Pugh的研究表明他对冷水的反应异于常人。值得注意的是，虽然Pugh可能具有一些先天优势，但他这种近乎超人的能力主要是通过训练获得的。也许这种能力我们普通人都可以学会。

Pugh远不是第一个在冰水中游泳的人。在俄罗斯、中国和北欧许多国家都有一种悠久的传统：人们在冰冻的湖面、河面或海面上凿开一个洞，然后跳入其中。这种举动通常都是一种传统文化或宗教仪式。而他们一般都只会在冰水中浸泡一会就马上出水，很少进行长距离的游泳。日本和韩国的采珠人可以不穿泳衣在仅有10℃的海水中游将近30分钟。其中的秘诀一部分来自于他们的新陈代谢：日本采珠人冬季潜水的水越寒冷，他们的静止代谢率越高。

尽管如此，对长期潜水的日本采珠人的研究表明他们对冷水的反应与我们普通人并没有什么不同，在冷水中待了30分钟后他们的体核温度下降到了35℃。这个温度略高于人体的低温警戒线，低于这个界线人体将无法自行恢复温暖。但与他们不同的是，在更寒冷的水中游了30分钟后，Pugh竟然可以将他的体核温度保持在36℃。他是怎么做到这一点的呢？

Pugh的背景看起来相当普通：他1970年出生在西南英格兰普利茅斯市，6岁时上了寄宿学校，直到后来移居到南非他才喜欢上了游泳。在17岁时，他首次正规学习游泳，而一个月以后Pugh就参加了一项从罗本岛出发的7公里游泳活动。纳尔逊曼德拉曾在那个岛关押了18年，那里的水温仅仅只有12℃。归来时他身着紧身的潜水衣，他说长距离游泳已在他心里播下了激情的种子，激起了他创造新记录的欲望。

在过去的20年里，Pugh总共参加了17项长距离游泳，包括横穿英吉利海峡，沿整个泰晤士河从肯布尔游到伦敦，以及在挪威进行的全长204公里历时21天的沿松恩峡湾游泳。在游泳过程中Pugh逐渐意识到气候变化对自然产生的影响是多么巨大，例如极地冰盖的融化以及冰川的消融。于是他决定用比以往更极端的游泳方式唤起全世界的注意——在南极和北极进行两项终极长距离游泳。

虽然在冰冷的水中要想生存下来需要的不仅仅是信念，但Pugh仍将他的成功归因于思想上作了充分的准备。在备战极限游泳的几个星期之中他每天都要花4个小时和教练一起进行心理演习，使自己能冷静下来并将注意力集中在挑战的任务上。练习包括当感觉到生命遇到威胁时如何集中情绪建立一种决心，这种决心将有助于挑战获得成功。“我在脑海中模拟游泳的每个步骤，想象它们从如何开始到如何结束。我甚至可以听见自己击水的声音，我的皮肤可以感觉到寒冷。”Pugh补充道。

随着挑战日期的邻近，Pugh通过听Eminem 和P. Diddy的音乐使自己做好精神准备。在入水前几分钟，Pugh只要回想这些情绪便可以在不做任何运动的情况下将身体的体核温度升至38.4℃。这比正常人的体温足足高出了1.4℃。这种“预先升温”现象以前在其它人身上也曾被发现过，只是升温的程度没有这么高，Timothy Noakes说。Timothy Noakes是南非开普敦大学的运动科学家，他一直在对Pugh游泳进行研究。

其它实验发现给俄罗斯冰泳者注射肾上腺素也可以起到这种作用。Noakes推测Pugh的身体可能在入水前也采用了这种机制。

Pugh还有许多其它惊人的能力。例如，当Pugh跃入冰冷的海水中时可以逐步降低自己的体温而不会像大多数人那样因极度寒冷产生休克反应，这种休克反应是冰水造成人溺亡的最常见原因，英国朴茨茅斯大学生理研究员Michael Tipton说道。

通常，当皮肤表面的神经突然感觉到大幅度的降温，即会触发无法控制的、无意识的过度换气。这会导致呛水，人便会很快淹死。在这种情况下，人的血管会极度收缩，减少血液的流动，防止将热量从重要的器官带走。而突然升高的血压则会引发心脏病发作。

Pugh有可能已经习惯了寒冷，所以寒冷带来的休克反应并不那么剧烈。虽然在最初的几分钟他会感到呼吸困难，但Pugh似乎可以显著地抵抗这种寒冷。“我当然感觉到冷，”他说，“这真的是非常痛苦。”

从乍入冰水引发的休克中幸存下来的人们还将面临另一个问题：由于四肢和肌肉温度太低，神经会遭到损害，这使得人体做游泳这类协调性运动越来越难。但Pugh似乎可以减少浅层肌肉的血液供应以保障深层肌肉的温度，采珠人也具备这种能力。

Pugh还有种能力迄今没有得到科学的解释：当他在冰水中游泳的时候可以阻止自己身体发抖。通常情况下，发抖是身体对寒冷产生的无意识反应，一旦体核温度低于36.6℃或体表温度低于28℃，身体就会发抖。发抖通常是有益的，因为肌肉收缩会产生热量，但在冷水中这会增加体温降低的速度，Noakes说。这是因为增加的血流量会将更多的热量从体内带到四肢。然而Pugh的身体却能在体核温度低于36.6℃体表温度低于5℃时避免发抖。

但Pugh也有他的极限，在南极Deception岛游泳泅渡Whaler’s 湾时他实际上离死亡已非常接近。30分钟的游泳后，他的体核温度开始急剧下降。在几分钟后他上了岸，此时他的体温已经降到了危险的33.6℃。“如果他再继续游2到3分钟，他的体温将下降得更多，他将很可能会失去意识。”Noakes说。

Pugh一鼓作气继续完成了更多的冰泳壮举。2007年，他在北极一个水温达-1.7℃（已知最冷的水）的冰川中游了1公里。

“当我在零度以下的水中游泳时，我的手指都完全冻僵了，4个月以后才恢复知觉。”Pugh说。完成了在南极和北极游泳的目标后，Pugh已经停止了冰泳挑战。■

如果比速度，大概不如田径，但是比谁穿的少，短池游泳大概要数一数二了吧？但是在北京奥运会的水立方里，我们恐怕会悲痛的发现，无论是青筋暴起的肌肉男们还是身材魔鬼的一塌糊涂的美女们，身上都将像粽子一样越包越严实，直接剥夺了观众们大好的养眼机会。是什么让他们不顾全球变暖的大趋势，逆流而上越穿越多的呢？

(上图：菲尔普斯展示鲨鱼皮四代（快速皮肤IV)——激光竞速者）

泳衣界的巨鳄，英国的Speedo公司就是传说中的那个幕后推手。为了实现其领导全球泳装科技的目的，该公司从1992年开始革新泳衣面料。但是直到2000年悉尼奥运会，索普凭借着"鲨鱼皮一代"拿下三金两银后，各国才对这种新面料泳衣的热情才达到了高潮。2004年雅典奥运会上，表面布满点状颗粒的"鲨鱼皮二代"更是出尽了风头--47名运动员披着"鲨鱼皮"到台上领奖。2007年，鲨鱼皮三代下水不到一年，21项世界纪录就被改写。今年二月，赶在北京奥运会前，"鲨鱼皮四代"正式推出，39项世界纪录据说已经作古，更是有50多个国家的运动员，宁可和赞助商们撕破脸皮，也要移情别恋，纷纷钻进SPEEDO的鲨鱼皮囊里。各位观众，松鼠会广告时段到此结束，下面那么我们将以"流体松鼠--waterOrO"挑剔的眼光来看看这传说中耗资上百万英镑的鲨鱼皮研究到底靠不靠谱吧。

先爽一个视频：http://www.youtube.com/watch?v=dvMdqvO3R9g&eurl=http://www.ath1337.net/lzr-racing-swim-suits-new-technology-or-cheating/

这个视频给我们展现了第四代鲨鱼皮（快速皮肤FASTSKIN IV-激光竞速者LZR - RACER）的研发过程。Speedo公司利用了自己庞大的签约运动员名单，扫描了世界上四百余名顶尖的游泳运动员的几何外形用来制作阻力实验的模型。但是报道中没有提及Speedo的研发团队--Aqualab（水运动实验室）究竟是怎样利用这些数据的。他们只采用了一个运动员的数据？还是把运动员的几何外形都进行了平均？或是针对每个运动员都进行了模拟？如果是最后一种情况的话，这个工作量别说三年，就是三十年也很难完成。测试了上百种面料以后，研究人员把目光集中在了两种合成材料上：LZR pulse®（激光脉冲），一种疏水性材料，它就像沾满露珠的荷叶那样，即使泡在水中也不会被浸湿；和LZR panel(激光面板)，一种表面附加塑料薄膜的纤维材料。这两种材料被粘附到阻力模型表面从而进行流体力学的相关实验。
Speedo公司聘请了拥有世界上最先进水槽之一的新西兰奥塔格大学和长期致力于流体阻力研究的美国航天航空局(NASA)来进行阻力实验。不过，各位看官千万不要被那个航天飞机发射的视频蒙到，实际上NASA只是使用了低速风洞对泳衣的纤维材料进行了测试，不像很多报道中宣称的那样，该实验用的风洞是用来测试航天飞机飞行阻力的。风速28米每秒的低速风洞实验足以模拟泳池中两米每秒的游速（空气和水是性质不同的流体，为了能模拟出水中的现象，风速要经过换算调整到比较高的水平）。而航天飞机阻力实验主要是测试高超音速（大概音速的三到五倍）下航天飞机飞行状况的。风速达到音速以上，热效应将会非常严重。能在音速下的气流中游泳，而且还能保证自己穿着泳衣，估计超人都要羡慕的羞愤自尽的。

阻力实验选定了LZR Panel材料。随后，研究人员使用该材料制作了实验泳衣，并带到了澳大利亚运动学院进行了真实泳池中的实战测试。测试结果令研究人员们异常兴奋，穿着LZR Panel泳衣的测试比穿普通训练泳衣快4%。这在五十米短池比赛中就等于超前了两米，相当于一个身位的巨大优势。同时耗氧量降低5%，能有效延长运动员的巅峰表现。可以说，如果这种材料如此成功的话，对于游泳这种决胜于百分之一秒的运动来说，是否采用"鲨鱼皮"就是生死存亡的决定因素了。

最令人激动的是，Speedo还第一次完全从流体力学原理出发，提出了泳衣塑形的划时代概念。这个概念由"流线型塑体"、"振动抑制"和"无缝拼接"三个点子组成。利用泳衣可调的弹性，LZR-RACER会把身体上阻力比较大的部位收紧，把运动员的身体塑造成更接近流线型的形状，并且减少了肌肉和水之间因为压力剧烈波动引起的振动。这种振动会干扰流过身体的流线，消耗身体的动能，从而降低运动员的速度。同时，"鲨鱼皮四代"还用超声波拼接，制成了"无缝天衣"，大大降低了接合处对流线的扰动。一旦流线可以光滑的经过身体表面，运动员就可以对水流的扰动最小，将阻力最小化。

如果通过实验来一步步验证这些令人激动的概念设计的话，工作量将超出想象。因此，流体力学家们只能求助于计算流体力学，即通过计算机对运动员在水中的受力进行模拟。从理论上来讲，世界上所有的流体的运动都可以通过一组被称为纳维尔-斯托克斯方程(Naviar-Stokes Equations)来描述。这也是流体力学的可爱之处--流体力学家们从来不用像化学家那样记忆无穷无尽复杂的化学式。同时，纳维尔-斯托克斯方程也是所有流体力学家们的噩梦--该方程臭名昭著的复杂和难解。目前为止，科学家们只能通过各种费尽心机的手段，得到尽量接近真实的数值解。不过，经过数十年的发展，这个方法已经发展成为一门学科--计算流体力学，并羽翼丰满，可以大量应用于工程实际了。大到星际爆炸，飓风肆虐，大洋环流，火山爆发，油轮和客机航行，小到浮游生物游动，心血管流态都可以通过计算机模拟出来。这大大节省了实验成本，提高了数据精度和完整程度。目前，一级方程式赛车比赛和美洲杯帆船赛已经成为流体力学运用到竞技运动的典范。国内，据说北京航空航天大学曾经为排球运动进行过相关的风洞实验。但是计算流体力学的案例就很有限了。（我们学校的男排已经和职业队一起征战甲A联赛好几个赛季了，不无我们流体力学所的功劳。）

（计算流体力学模拟结果：经过一名游泳运动员的水流速度场）

英国诺丁汉大学的研究组就受邀进行了相关的计算流体力学模拟研究。他们采用了运动员在水中滑行的动作，即双手合并前伸，双腿向后绷直的姿态进行模拟，从而得到相应的阻力。应用ANSYS公司的先进网格划分软件，研究人员可以更精确的模拟出紧贴运动员身体表面的流动速度和压力的细节，从而指导泳衣的设计。从模拟结果来看，与"鲨鱼皮二代"相比，改进后总阻力据说降低了24%。
这个结果似乎非常具有说服力，但是仔细分析起来，这个研究还是有着巨大的缺陷。首先，游泳不全是一个静止的滑行过程。大部分时间里，运动员要在水面进行大幅度的剧烈运动。如果诺丁汉大学只考虑了一个姿态显然是不够的。其次，由于运动员在水面运动，模拟计算需要涉及空气和水的复杂相互作用，大量的气泡和飞溅的水滴使模拟计算几乎成为了不可能完成的任务，所以最后研究只集中在水下滑行段。最后，运动员的泳姿对速度的影响更大。而且很多时候，划水动作是通过制造漩涡来产生推力的，和身体表面的摩擦阻力关系并不大。但是，由于追求身体形状的流线型，泳衣压缩了肌肉，反而可能让运动员划水的时候觉得碍事，使正常的技术动作变形。从计算流体力学的角度来讲，模拟划水的过程需要动态网格这一不成熟的技术来支持。所以，通过这个不到位的研究就把流线型塑体的概念引入，未免有些哗众取宠之嫌了。

（计算流体力学模拟结果：经过一名游泳运动员的阻力分布图）

然而不可否认，由于Speedo先前的实验研究还是具有一定的可信度，并在实际测量中进行了证实，因此笔者认为该泳衣在速度上还是具有一定优势的。不过，LZR-RACER泳衣更重要的优势则来自于竞技运动的心理战术。就像一位试穿该泳衣的运动员说的那样："如果我认为穿着的不是世界上速度最快的泳衣，我是不可能有信心战胜自己战胜别人的。"
最近，中国游泳队赞助商Nike公司终于顶不住各个国家队对成绩的追求的压力彻底缴枪投降，发表声明允许在全球范围内赞助的所有国家游泳队改穿其他品牌参加北京奥运。中国泳联从全球LZR-RACER唯一的供货商，一家设在葡萄牙的制衣厂定做了58套"鲨鱼皮"。有队员表示，穿这种泳衣非常难受，恨不得马上把它脱掉，所以会在水里拼命的游。不管如何，LZR-RACER是攒足了心理优势。加上最近，国际泳联免费为Speedo公司宣传，宣布Speedo公司采用的新材料并不违反国际泳联关于泳衣不得使用增加浮力和速度的规定。鲨鱼皮四代就此摧枯拉朽般的占领了奥运泳衣市场的大片江山，宣告了Speedo上百万英镑的研究经费没有白白砸出去，取得了营销市场的绝对性胜利。不过普通人想试试这种鲨鱼皮四代还是要付出高昂的代价的。一套LZR-RACER售价高达600美金，而且需要专人帮助花四十分钟才能穿上，更要命的是，这种泳衣的寿命太短，只允许穿六次。
话说回来，无论是Speedo是在真忽悠，还是真的取得了重大突破，都让我们更进一步了解了一个时髦的科学--计算流体力学，套用郭德纲的话就是：真让我欣慰！计算流体力学并不是那样遥不可及，像航天飞机，苏-27战斗机，一级方程式赛车那样高高在上。而是可以应用到所有和水和空气阻力过不去的地方。在未来，它还会进一步把它的威力展现在竞技体育，和人们日常生活的方方面面的。
花絮：人们最早认为裸泳速度最快，但是由于太"拉风"，并没有人在比赛中采用过。但是运动员担心体毛茂盛，把头发胡子，身体各处的体毛都剃光来减少阻力却是普遍现象。后来，据说荷兰科学家经过研究得到了穿泳装比裸泳速度更快的结论。这个研究的目的，研究的独立性和可信度还值得进一步讨论。而且，研究者是否只是研究了欧美人的身体呢？亚洲人体毛较少，会不会有不同的结论呢？但是有一点是肯定的，本着和谐社会，八荣八耻的精神，我们还是不提倡裸泳的，所以泳池中的科技研发战将愈加激烈。

参考资料和相关链接：
松鼠会安婆婆从另一个角度来看"鲨鱼皮四代"：
http://songshuhui.net/archives/654.html
ANSYS公司关于LZR-RACER研究的描述：
http://www.ansys.com/magazine/issues/06-12-2008-ansys-advantage/01-sports.pdf
经济学家杂志的报道：
http://www.economist.com/displaystory.cfm?story_id=11527308
百度百科--计算流体力学：
http://baike.baidu.com/view/70002.htm
Speedo公司提供的一系列泳衣研发视频（果然市场推广有两把刷子，视频做的相当酷）：
http://www.speedo80.com/lzr-racer/video_player/play/computational_fluid_dynamics
Popular Science上的报道：
http://www.popsci.com/entertainment-gaming/article/2008-03/can-swimsuit-be-too-good

 

             (本照片版权归Speedo公司所有）

要放在十多年前，乍眼望过去大概没人会觉得这是游泳衣的海报，倒像科幻片里望着飞碟的一帮星际战士在摆pose。如今这鲨鱼装可是出尽了风头的时髦玩意儿，搜狐新闻前不久才报道说中国游泳队也终于同意队员们穿着Speedo公司的最新款LZR Racer泳衣出征北京奥运了。根据主教练张亚东的说法，“我们做这个决定并不是要换泳衣，而是同意让运动员选择自己适合的泳衣参赛。……不一定其他牌子泳衣一定比中国队赞助商提供的好，这关键还是要看运动员适不适合。”

的确，披着鲨鱼皮冲破世界纪录的欧美选手们，身材和技术特点都和东方选手有所差异。这泳装在他们身上的塑身效果未必就能百分百挪用给中国的队员们，减少阻力的百分点恐怕也得打上折扣。不过这倒好解决，向Speedo定制适合东方人的产品嘛，毕竟开公司的谁会放着生意不做呢。关键是他们的泳衣真有那么神奇吗？真的比传统技术的产品更优越？真的是世界纪录频频改写的原因？

我先看了看公司网页上的产品介绍，相比普通泳衣LZR Racer能把阻力减小十来个百分点。来自美、英、法、澳的世界顶级运动员们在镜头前描述他们试穿的感受，说入水之后感觉到了明显的轻松，贴身的设计对肌肉张弛、泳姿保持都有很好的帮助。夺金大热门迈克·菲尔普斯作为产品代言人之一，更是赞不绝口：“我一入水就觉得自己像支火箭一样。”可是接受其他体育公司赞助的运动员，态度要谨慎得多。今年四月份广州日报的一则消息中称“中国队不相信鲨鱼战衣”，“张亚东认为，过分夸大鲨鱼泳衣的作用其实是一种商业炒作。大部分运动员也表示，成绩和泳衣没有太大的关系，无论是谁，都不可能依靠泳衣来提高成绩。”

大家都站在各自的立场上各执一词，这口水仗打起来可不像比赛那样胜负立辨，我还是先别下结论。让普通人雾里看花的高科技产品，总要有一些内行站出来用科学原理和数据说话，才显得公允一点。Science Daily杂志在上个月采访了NASA（美国国家宇航局）参与鲨鱼装研发的物理学家，通俗地介绍了一下他们改进和测试泳衣纤维材料的方法。权威的机构，流体力学的专家，严格的物理测试，铁打的实验数据——这总可以作为泳衣提高成绩的证据了吧？别急呀，科学家也是分很多种的嘛。比如生理学家会从他们的角度来提出异议：这些数据都是实验室条件下测出来的，真实的比赛情况下运动员的动作和做实验的时候差别很大，环境也不同，泳衣的实际效果到底怎样还很难说。而且即使没有这种高科技，运动员成绩还是会不断提高的，因为现代人营养结构和训练方法的进步会创造出越来越好的身体条件。所以破纪录到底是因为实力还是装备，不能光凭一帮物理学家的实验就匆忙下结论。

难搞了，还是没有统一答案。这时搜索页里跳出来一个印第安纳大学的小组，一句话吸走了我的眼球：“这是一个统计学问题。”统计学家，哈哈，原来他们也在关注游泳大赛。仔细读网页，原来早在上世纪六十年代数据采集就已经开始了。统计学一个惯常思路就是利用大量的数据来“寻找越界者”：自然界发生的事件因为有随机性，即使在外界条件相对稳定的情况下，测得的数据也会有所差异。这个差异是有一定范围的，如果某个值远远地偏离出范围之外，就很可能是别的因素在“作怪”。这正是印第安纳小组的推理基础。

这儿有个例子来说明他们是怎么分析得。在美国奥林匹克选拔赛的男子１００米自由泳成绩中，把从１９６８年到２０００年为止，进入决赛的八名选手的平均成绩按年份统计出来，作出一张曲线图： 

（纵坐标是游完全程的时间，横坐标是年份。本数据版权归美国印第安纳大学游泳科学咨询中心所有，完整pdf文件可以在他们的网页下载。）

 这是一条呈级数递减的曲线，一直到２０００年，数据点都较好地贴在曲线附近。也就是说，男子一百米自由泳的时间在逐年减少，而且减少得越来越快。数据点贴近曲线，说明实际的观测与曲线所表现出来的关系所吻合。那么，如果我们想象这条曲线“自然延伸”，就可以预测一下２００４年的成绩。通过统计学计算出来的预测值，是百分之九十五的可能性落在４９．０９秒至４９．５９秒之间。那么实际情况如何呢？４９．３３秒（在USA Swimming网站有完整比赛结果），落在预测范围之内。（当然了，这个范围是多少有数学上的严格界定，不是随随便便画出的一条线。这方面我们就给统计学家们一点信任吧。） 

我们知道鲨鱼装最早出现在奥运会是２０００年，关于它的争论从那时就已经开始了。然而直到２００４年，观测值都没有太多的偏离曲线，说明成绩的进步和鲨鱼装出来以前的趋势相比没什么大变化。那么对这样的进步，用生理学家的解释更靠谱，主要还是归于现代人身体条件的改善。

观察上面图中时间减少的规律，不是直线下降，而是减少得越来越缓慢。主要原因可能来自两方面：首先人的身体素质能提高到什么程度是有个极限的，菲尔普斯再怎么感觉自己像火箭也不可能变成火箭，越到后面进步就越难。其次根据流体力学说，在游泳的时候，速度越快，水对人的阻力就越大。阻力越大，想提高成绩自然也越难。在这双重障碍下，每届运动会之间的成绩差别就变得越来越微小。相比之下，鲨鱼皮的帮助作用就凸显出来了。也许在００年或者０４年鲨鱼皮已经开始起作用了，只不过那时成绩的提高幅度也大，作用不如今年这样明显罢了。

这样看来，在运动员，公司，物理学家，生理学家，和统计学家的轮番轰炸之后，更多的证据支持鲨鱼皮能提高成绩的说法。这当然不是件坏事，毕竟这么多研发人员的心血没有白费，Speedo公司没有忽悠人，中国队没有做出无谓的决策。

可是高科技运动装备会影响到公平竞争的体育精神吗？LZR能提高成绩是否意味着所有运动员都得选择Speedo作为赞助商以免处于劣势？这样依靠装备的比赛对于提高人类身体素质的体育宗旨又意义何在？寻找这些问题的结论，恐怕就不能光靠科学了。 

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。”

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。

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。

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。

“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。

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。

北京奥运会国家游泳中心“水立方”

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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。

“游泳时的三大阻力并非一成不变，随着速度增加，摩擦阻力按线性增加、压差阻力按平方增加、波浪阻力按立方增加，但由于主导部分始终是压差阻力，因此总阻力基本和速度的平方成正比。”

劈波斩浪走蛟龙

游泳是奥运会上最气韵流畅又喧腾激扬的竞赛项目。蛟龙出水般的爬泳，浪翅翻飞的蝶泳，枕涛卧波的仰泳，“能屈能伸”的蛙泳，在8条蔚蓝色的泳道各展风姿，金牌银牌同样决胜于百分之一秒间。2008年3月在荷兰埃因霍温举行的欧洲游泳锦标赛上，法国选手阿兰.伯纳德以47秒50的成绩刷新100米自由泳世界纪录；接着在悉尼举行的奥运选拔赛中，澳大利亚选手苏利文以21秒28的成绩创造50米自由泳世界纪录。这是人类靠自身力量在水中达到的最高速度。

澳大利亚选手苏利文创50米自由泳世界纪录

虽然游泳竞赛项目和奥运会同龄，但前三届设置过的20个单项已有85%被淘汰，可见百年间游泳的变迁之大。早期的自由泳是指“八仙过海”的任意姿势，但由于爬泳速度最快，于是运动员便无一例外的选择爬泳，以至于自由泳成了爬泳的代名词。二十世纪早期，出身于澳大利亚游泳世家的卡维尔对民间朴素的“狗爬式”进行了系统改造。1924年巴黎奥运会上，后来成为好莱坞明星和“人猿泰山”扮演者的美国选手维斯穆勒首次在百米赛中突破1分钟大关，并创造了两臂轮流划水一次、两腿打水六次的标准爬泳动作。蛙泳则经历了更多的嬗变，1956年墨尔本奥运会以后，随着国际泳联新规则的出台，潜水蛙泳最后的繁盛随波而逝，新生的蝶泳则正式从蛙泳的支脉中“破茧而出”，自立门户，从此形成了泳坛“四大家族”的稳定格局。

人在水中为什么能够不下沉？其实人体70%的成分是水，平均密度在0.96至1.05之间。男人和女人，老人和孩子，胖子和瘦子，呼气和吸气的人体密度都略有不同。一个标准身材的成年人受浮力作用，头露出水面时的体重大约3公斤。不过身体浮力的合力点即“浮心”由身体浸入水中各部分的几何中心决定，和人体重心并不重合，上体因比重小而趋于上浮，下肢因比重大而趋于下沉，会产生扭转力矩。如果将手臂平伸过头就会使浮心和重心更加靠近了。

游泳在水中所受的力

为什么百米短跑比百米游泳快得多？因为地上和水里的运动机制完全不同。田径运动员靠脚蹬地面产生反作用力奔跑，地球同时被脚掌“蹬开”的距离可以忽略不计。而人在水中游泳却没有固定的支撑，只能靠推动一定质量的水向身后作加速度运动，使自己借助反作用力前进。挥动的双臂和踢打的两腿如同“螺旋桨”，是产生推力和升力的引擎。加大“马力”的基本原则是划水和蹬夹水的速度要尽量快，用力方向的肢体投影面积要尽量大。两届奥运会上五夺金牌的澳大利亚游泳名将索普天生一双蒲扇般大手和47码的大脚，使他相当于戴了一副小号的手板和脚蹼。2004年雅典奥运会上获得6枚金牌的美国泳坛领军人物费尔普斯也因为生就一副“大手大脚”在水中占尽了便宜。而要提高用力的效率，减少体能的浪费，还要有正确合理的姿势、手形、迎水角度和划水路线。

运动员通过划水获得推进力

游泳运动员获得推进力后，必须在水中冲破“三大阻力”。其中的首屈一指的便是“压差阻力”。水的密度是空气的773倍，粘滞性是空气的55倍。运动员把不可压缩的水“挤”开后从中间穿越，水便绕着人体流向身后并产生漩涡，形成前后的压力差。身体纵轴越长，越接近流线型，迎水截面积越小，压差阻力就越小。这就是为什么优秀的游泳运动员都有修长的体型，前进中尽量保持身体与水面平行，自由泳和仰泳要滚动身体防止侧摆，蛙泳要减少还原动作的幅度。有经验的教练员说，“要想象自己是游在一个管子中。”

因为人既不像鱼类那样游在水下，又不能像鸭子一样浮在水上。我们游动在水和空气的界面，于是便不得不耗掉一部分体能去激起重重波浪。运动员在这种弓形波浪中游泳，如同“举着”一定重量的水前进，这便是位居第二的“波浪阻力”。留心观察一下轮船头部，吃水线以下做成球状便是为了产生反相波，和船身激起的波浪相抵消，从而减少波浪阻力。游泳池里分隔泳道的小转轮也是为了消除相邻选手间的波浪干扰。潜水式蛙泳之所以速度更快就是因为一个“猛子”扎在水底躲过了波浪阻力，所以才被认为有违公平并不利于观赏而遭取消。不过今天奥运会的蛙泳比赛仍允许出发和转身时潜水蹬划一次，成了潜水蛙泳仅存的遗迹和运动员决不会错过的加速时机。

“摩擦阻力”是游泳运动的第三个束缚。由于水具有粘滞性，游泳时附着在身体表面的水分子便会依次带动相邻层面的水分子前进，这个“边界层”中水分子的内摩擦产生“摩擦阻力”。游泳运动员中盛行的“刮体毛”就是因为摩擦阻力和身体表面积及粗糙度成正相关。

游泳时的三大阻力并非一成不变，随着速度增加，摩擦阻力按线性增加、压差阻力按平方增加、波浪阻力按立方增加，但由于主导部分始终是压差阻力，因此总阻力基本和速度的平方成正比。不过千万别以为水的阻力越小越好，如果抱水、抓水、划水、蹬水、打水的时候没有阻力就会让两手扑空、两腿打滑而失去一切动力。简单的诀窍是，凡推进身体向前的“有效动作”都要充分利用阻力，凡阻碍身体向前的“无效动作”都要尽量消除阻力。自由泳之所以最快，就是因为身体平直、速度均匀、S型划水、空中移臂等优势，而蛙泳之所以最慢则由于体态相对倾斜、速度忽快忽慢、收腿伸臂等还原动作必须在水中完成。不过蛙泳却从来是最普及和最具实用性的游泳姿势。

让时间回到奥运会之初，用棉织平纹布和罗纹布制成的游泳衣松懈又兜水，带来很大的阻力。羊毛和丝绸的面料渐渐使游泳装更加紧凑和贴身。而荒唐陈腐的道德观念曾一度将游泳服视为异端。第7届安得卫普奥运会上夺得3项游泳冠军的美国“女飞鱼”布莱特雷因在海滨穿短裤游泳而遭逮捕，“道学家”给她安的罪名是“有伤风化”。1975年，荷兰学者在船槽中把穿与不穿游泳服进行对照试验，发现穿游泳服比裸泳的阻力减少7%。原因是人作为四肢动物，经过这种“包裹”和覆盖，能够使全身曲线更加平滑和接近流线型，自此游泳服的“穿脱之争”告一段落。1988年汉城奥运会上，美国队的“大力士”游泳服备受瞩目，聚氨酯纤维和超细尼龙纤维不仅使游泳服的重量再度减轻，双向伸缩性和整体平滑度都达到一时无两的完美。到了二十世纪九十年代，无论从质地材料到设计制作理念，游泳服都进入了全新的快速发展时期。

2000年悉尼奥运会成了鲨鱼皮游泳服的“大秀台”。澳大利亚泳星索普和他的队友身披一袭黑色的连体紧身泳装，英姿勃发，形貌奇特，宛如碧波中勇猛的鲨鱼。这种游泳服按照激光测量的运动员身体数据进行三维设计，用不亲水的特氟纶纤维精制而成，将运动员从脖颈到手腕、脚踝包个严实。它的核心精华是，仿照鲨鱼皮肤真实的结构，在游泳服表面排列了百万个细小的棘齿。当水分子沿着这些棘齿流过时，会产生无数微型的涡流，使得“边界层”的分离点推后，从而延迟和弱化尾涡的形成。这是一笔合算的交易，增加小额的摩擦力，减少大额的压差阻力。表面光滑的高尔夫球一杆只能打出几十米，而布满500来个圆形或六边形小坑的“麻脸”高尔夫球却可以打到200米开外。鲨鱼皮游泳服上小棘齿正是起着“麻子”的作用。

仿鲨鱼皮游泳衣

尽管对鲨鱼皮、青蛙皮等仿生学游泳服的质疑和争论远未平息，全世界第一流商家却都在倾注大量财富和心血，为开发新一代游泳服暗中角力和较劲。其实竞争的目标也许就是把游泳成绩再提高十分之一秒，但这对于决定运动员究竟是载誉而归或是无功而返，可能已经足够了。

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