科技之光

1994年7月31日，意大利塞斯特里爾田徑場(chǎng)，號(hào)稱“跳高沙皇”的烏克蘭運(yùn)動(dòng)員布勃卡“揭竿而起”，把自己的身體撐向藍(lán)天，一舉越過(guò)了6.14米橫桿。這是人類克服地球引力的凱歌，也是人類體育運(yùn)動(dòng)目前所達(dá)到的高度上限。在布勃卡時(shí)代，天下好手參加撐竿跳高比賽常常只有亞軍可爭(zhēng)了。

撐竿跳高究竟起源于何時(shí)已經(jīng)很難考證。在遠(yuǎn)古的年代里，人們撐著一根木竿或長(zhǎng)矛跨過(guò)溪流，越過(guò)短墻，騰上馬背......此后漸漸發(fā)展為一項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)。1789年，德國(guó)人普茨跳過(guò)了1.83米，這大約是歷史上第一個(gè)有案可考的撐竿跳高紀(jì)錄。

1896年的第一屆奧運(yùn)會(huì)上，撐竿跳高就成為最引人入勝的正式比賽，不過(guò)屬于體操項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)使用的撐竿大多由山胡桃木制成。美國(guó)運(yùn)動(dòng)員威廉.霍亞特靠著這種沉重、堅(jiān)硬、粗笨的實(shí)心木竿，創(chuàng)造了3.3米的世界紀(jì)錄（圖１）。

（１）在1896年雅典奧運(yùn)會(huì)上美國(guó)運(yùn)動(dòng)員威廉.霍亞特（右）獲撐竿跳高第一名

幼年時(shí)代奧運(yùn)會(huì)的滑稽故事在撐竿跳高項(xiàng)目中也不乏其例。1904年在美國(guó)圣路易舉辦的第3屆奧運(yùn)會(huì)上，日本選手左間代.富士從容不迫把撐竿插到地上，然后以極其麻利的動(dòng)作來(lái)了個(gè)“順竿爬”，直到高過(guò)橫桿時(shí)才輕松跳下。他的這種“雜技表演”不僅令觀眾目瞪口呆，也叫裁判不知所措。此后才制定了起跳后握竿雙手不能交替移動(dòng)的“游戲規(guī)則”。

用竹竿取代木竿，是撐竿跳高歷史上的重大進(jìn)步。竹竿更富有彈性，天然的中空結(jié)構(gòu)使撐竿的重量減輕有利于快速助跑。1908年倫敦奧運(yùn)會(huì)上，美國(guó)耶魯大學(xué)學(xué)生吉爾伯特第一次使用竹竿跳過(guò)3.71米獲得冠軍（圖２）。他隨后從巴黎購(gòu)買了大量竹竿行銷到美國(guó)各地。盛產(chǎn)上乘竹子的日本曾領(lǐng)盡風(fēng)騷，洛杉磯奧運(yùn)會(huì)上，日本選手西田修平僅以1厘米之差直逼霸主美國(guó)隊(duì)，柏林奧運(yùn)會(huì)兩位日本運(yùn)動(dòng)員把獎(jiǎng)牌切開(kāi)再焊接成兩塊銀、銅各半獎(jiǎng)牌，這類奇跡和軼事都發(fā)生在日本撐竿跳高的“輝煌時(shí)代”。而歷經(jīng)5年時(shí)間陰干和炮制的日本撐竿工藝也首屈一指，各國(guó)好手幾乎都把來(lái)自“竹鄉(xiāng)”上野、四國(guó)的日本撐竿視為珍稀的上選?！爸窀蜁r(shí)代”的世界紀(jì)錄上升到了4.77米。

第二次世界大戰(zhàn)沒(méi)有理睬古奧運(yùn)會(huì)“神圣休戰(zhàn)”的原則，第12、13屆奧運(yùn)會(huì)成為歷史上永遠(yuǎn)的空白。作為交戰(zhàn)雙方，歐美國(guó)家從日本進(jìn)口竹竿的渠道也完全阻斷。而苦難中的人類并沒(méi)有因戰(zhàn)爭(zhēng)而喪失撐竿跳高的興致，他們被迫另辟蹊徑，早在1920年代便有人嘗試的金屬撐竿開(kāi)始備受青睞。

（２）吉爾伯特

和自然生長(zhǎng)的竹竿相比，這種用瑞典鋼和鋁合金制成的空心撐竿更加輕便光潔，尺寸標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)牢柔韌，運(yùn)動(dòng)員可以更放心大膽加快助跑和提高握竿點(diǎn)而不用再擔(dān)心“折戟沉沙”。世界紀(jì)錄因此而提高到4.80米。

另外一項(xiàng)看似簡(jiǎn)單卻功不可沒(méi)的發(fā)明，是插竿斗的使用。早期的撐竿為了防止打滑，都在末端安上一個(gè)或者一組粗大的鐵釘。1908年倫敦奧運(yùn)會(huì)上，美國(guó)運(yùn)動(dòng)員吉爾伯特在撐竿的落地處挖了個(gè)坑，結(jié)果被視為犯規(guī)。直到1924年，木制的插竿斗才成為撐竿跳高的“標(biāo)準(zhǔn)配置”，從此運(yùn)動(dòng)員有了一個(gè)穩(wěn)定可靠的“支點(diǎn)”（圖３）。

（３）木制的插竿斗

1952年，當(dāng)更輕、更韌、更富有彈性的玻璃纖維撐竿第一次在赫爾辛基奧運(yùn)會(huì)出現(xiàn)時(shí)，誰(shuí)也沒(méi)有預(yù)料到撐竿跳高將進(jìn)入一個(gè)夢(mèng)幻般的新時(shí)代。1961年美國(guó)運(yùn)動(dòng)員戴維斯創(chuàng)造了玻璃纖維撐竿的第一個(gè)世界紀(jì)錄4.83米。次年2月，約翰.尤爾西斯跳過(guò)4.89米。1964年弗萊德.漢森把世界紀(jì)錄提高到5.28米。短短幾年間，撐竿好手群雄競(jìng)起你追我趕，世界紀(jì)錄墨跡未干便再被刷新，直到突破6米大關(guān)。和其他任何田徑項(xiàng)目相比，這種勢(shì)如破竹的“躍進(jìn)”都是絕無(wú)僅有的（圖４）。

（４）奧運(yùn)撐竿跳高記錄

玻璃纖維撐竿本身顯然沒(méi)有能量，究竟是何種原因?qū)е铝怂绱恕傲⒏鸵?jiàn)影”的功效呢？我們?nèi)绻浴皠傂浴钡哪靖秃汀叭嵝浴钡睦w維竿進(jìn)行對(duì)照來(lái)做一番簡(jiǎn)略討論，將會(huì)看到力學(xué)中關(guān)于能量轉(zhuǎn)換的最生動(dòng)演示（圖５）。

（５）木制撐竿與玻璃纖維撐竿對(duì)比

玻璃纖維竿由于重量大大減輕，使運(yùn)動(dòng)員持竿助跑的速度得以猛增，而聚集在竿上的動(dòng)能是和助跑速度的平方成正比的。再說(shuō)“剛性”撐竿和地面的接觸是“硬碰硬”的撞擊，而“柔性”的纖維竿落地后則更像彈簧的壓縮，兩者造成的能量損失和對(duì)人體的沖擊震蕩顯然大不相同。而當(dāng)玻璃纖維竿變成一條大弧，運(yùn)動(dòng)員握竿點(diǎn)和插穴斗的直線距離則如一根弦，和“直挺挺”的不可壓縮的木竿相比，人-竿轉(zhuǎn)動(dòng)半徑明顯縮短，豎竿的力矩大大減少，這意味著運(yùn)動(dòng)員能夠輕易地提高握竿點(diǎn)（圖６）。

（６）現(xiàn)代撐竿跳高握竿點(diǎn)的運(yùn)行軌跡

如果把手中的撐竿當(dāng)作一個(gè)“能量轉(zhuǎn)換器”——將水平方向助跑的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為一定高度的重力勢(shì)能，那么玻璃纖維竿的最大魅力則來(lái)自于它對(duì)能量的有效貯存和釋放。當(dāng)纖維撐竿被壓彎后積蓄了變形勢(shì)能，然后將運(yùn)動(dòng)員“彈”向空中，等于運(yùn)動(dòng)員把水平助跑“掙來(lái)的錢”“存入銀行”，接著及時(shí)“提取”出來(lái)支付垂直上升和跨越橫桿需要付出的“費(fèi)用”。

撐竿跳高中的“雙鐘擺”效應(yīng)，指的是以穴斗為支點(diǎn)，以撐竿為主體的“長(zhǎng)擺”，和以肩關(guān)節(jié)為支點(diǎn)，以人為主體的“短擺”。木竿的“擺長(zhǎng)”是不變的，運(yùn)動(dòng)員握竿點(diǎn)的軌跡幾乎完全是一個(gè)陡起的圓弧，而玻璃纖維竿的“擺長(zhǎng)”是變化的，運(yùn)動(dòng)員身體重心位移是一個(gè)平滑的曲線。這十分有利于提高“擺動(dòng)”的角速度和減少能量轉(zhuǎn)換中的損失。

如果進(jìn)行更深層次的觀察和研究，就會(huì)發(fā)現(xiàn)撐竿材料的“革命”帶來(lái)了撐竿跳高整體技術(shù)動(dòng)作模式的變化，運(yùn)動(dòng)員起跳后不再是無(wú)所作為地等待被“拋擲”，而是開(kāi)始了一系列精巧、細(xì)致、復(fù)雜的“竿上動(dòng)作”。懸垂擺體、后仰舉腿、引體轉(zhuǎn)體、......最后以竿上“單手倒立”的英姿騰越過(guò)竿，這是何等令人驚嘆的高難度技巧。有人把撐竿跳高比作“跳高加體操”的確不無(wú)道理。號(hào)稱“女布勃卡”的俄羅斯運(yùn)動(dòng)員伊辛巴耶娃本來(lái)就是體操運(yùn)動(dòng)員出身，只因身高“不幸”長(zhǎng)到了173厘米才被迫改行，也許多虧了體操的“童子功”，成全了她創(chuàng)造5.01米世界紀(jì)錄的輝煌之夢(mèng)。

對(duì)于撐竿跳高的極限，人們做過(guò)多種預(yù)測(cè)，根據(jù)能量守恒的公式計(jì)算出水平助跑動(dòng)能最多可以轉(zhuǎn)化為大約5米的垂直勢(shì)能，但顯然遺漏了運(yùn)動(dòng)員騰空后獲得新的能量份額。所謂“撐竿跳”，“跳”和“撐”都是題中應(yīng)有之義。算總賬的時(shí)候不光要看到地面上水平助跑積蓄的初始能量，還要加上懸空后手臂一挽一推、身體翻轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)而新“掙”來(lái)的后續(xù)能量。

今天競(jìng)技場(chǎng)上的撐竿經(jīng)過(guò)不斷更新?lián)Q代，玻璃纖維和尼龍已經(jīng)被更加輕便、堅(jiān)韌而富有彈性的碳素纖維和多種復(fù)合材料所取代。通過(guò)精密的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，根據(jù)撐竿從上到下受力的差異和彎曲的弧度來(lái)設(shè)計(jì)不同部位最合理的強(qiáng)度，現(xiàn)代的撐竿制作工藝日臻完善和成熟，而納米材料的應(yīng)用也許會(huì)讓撐竿跳高“百尺竿頭，更進(jìn)一步”（圖７）。

對(duì)撐竿材料革命的疑慮和抱怨雖然一直沒(méi)有停息，但誰(shuí)也不愿意再回到“搟面杖”和“竹筒子”的年代。撐竿跳高演變的歷史是一個(gè)經(jīng)典的例證，講述了新興材料如何將這項(xiàng)古老運(yùn)動(dòng)推向峰巔。