科技之光

游泳是奧運(yùn)會(huì)上最氣韻流暢又喧騰激揚(yáng)的競(jìng)賽項(xiàng)目。蛟龍出水般的爬泳，浪翅翻飛的蝶泳，枕濤臥波的仰泳，“能屈能伸”的蛙泳，在8條蔚藍(lán)色的泳道各展風(fēng)姿，金牌銀牌同樣決勝于百分之一秒間。2008年3月在荷蘭埃因霍溫舉行的歐洲游泳錦標(biāo)賽上，法國(guó)選手阿蘭.伯納德以47秒50的成績(jī)刷新100米自由泳世界紀(jì)錄；接著在悉尼舉行的奧運(yùn)選拔賽中，澳大利亞選手蘇利文以21秒28的成績(jī)創(chuàng)造50米自由泳世界紀(jì)錄。這是當(dāng)時(shí)人類靠自身力量在水中達(dá)到的最高速度。

雖然游泳競(jìng)賽項(xiàng)目和奧運(yùn)會(huì)同齡，但前三屆設(shè)置過(guò)的20個(gè)單項(xiàng)已有85%被淘汰，可見百年間游泳的變遷之大。早期的自由泳是指“八仙過(guò)?！钡娜我庾藙?shì)，但由于爬泳速度最快，于是運(yùn)動(dòng)員便無(wú)一例外的選擇爬泳，以至于自由泳成了爬泳的代名詞。二十世紀(jì)早期，出身于澳大利亞游泳世家的卡維爾對(duì)民間樸素的“狗爬式”進(jìn)行了系統(tǒng)改造（圖１）。1924年巴黎奧運(yùn)會(huì)上，后來(lái)成為好萊塢明星和“人猿泰山”扮演者的美國(guó)選手維斯穆勒首次在百米賽中突破1分鐘大關(guān)，并創(chuàng)造了兩臂輪流劃水一次、兩腿打水六次的標(biāo)準(zhǔn)爬泳動(dòng)作（圖２）。蛙泳則經(jīng)歷了更多的嬗變，1956年墨爾本奧運(yùn)會(huì)以后，隨著國(guó)際泳聯(lián)新規(guī)則的出臺(tái)，潛水蛙泳最后的繁盛隨波而逝，新生的蝶泳則正式從蛙泳的支脈中“破繭而出”，自立門戶，從此形成了泳壇“四大家族”的穩(wěn)定格局。

（１）澳大利亞的卡維爾對(duì)“狗爬式”游泳進(jìn)行了系統(tǒng)改造并應(yīng)用于現(xiàn)代游泳

（２）美國(guó)選手維斯穆勒在1924年巴黎奧運(yùn)會(huì)上創(chuàng)造了標(biāo)準(zhǔn)爬泳動(dòng)作

人在水中為什么能夠不下沉？其實(shí)人體70%的成分是水，平均密度在0.96至1.05之間。男人和女人，老人和孩子，胖子和瘦子，呼氣和吸氣的人體密度都略有不同。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)身材的成年人受浮力作用，頭露出水面時(shí)的體重大約3公斤（圖３）。不過(guò)身體浮力的合力點(diǎn)即“浮心”由身體浸入水中各部分的幾何中心決定，和人體重心并不重合，上體因比重小而趨于上浮，下肢因比重大而趨于下沉，會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩。如果將手臂平伸過(guò)頭就會(huì)使浮心和重心更加靠近了（圖４）。

（３）浮力與重力作用在人體示意圖

（４）人體的浮心與重心示意圖

為什么百米短跑比百米游泳快得多？因?yàn)榈厣虾退锏倪\(yùn)動(dòng)機(jī)制完全不同。田徑運(yùn)動(dòng)員靠腳蹬地面產(chǎn)生反作用力奔跑，地球同時(shí)被腳掌“蹬開”的距離可以忽略不計(jì)。而人在水中游泳卻沒有固定的支撐，只能靠推動(dòng)一定質(zhì)量的水向身后作加速度運(yùn)動(dòng)，使自己借助反作用力前進(jìn)。揮動(dòng)的雙臂和踢打的兩腿如同“螺旋槳”，是產(chǎn)生推力和升力的引擎。加大“馬力”的基本原則是劃水和蹬夾水的速度要盡量快，用力方向的肢體投影面積要盡量大。兩屆奧運(yùn)會(huì)上五奪金牌的澳大利亞游泳名將索普天生一雙蒲扇般大手和47碼的大腳，使他相當(dāng)于戴了一副小號(hào)的手板和腳蹼。2008年北京奧運(yùn)會(huì)上獲得８枚金牌的美國(guó)泳壇領(lǐng)軍人物菲爾普斯也因?yàn)樯鸵桓薄按笫执竽_”在水中占盡了便宜（圖５）。而要提高用力的效率，減少體能的浪費(fèi)，還要有正確合理的姿勢(shì)、手形、迎水角度和劃水路線。

（５）有著超長(zhǎng)手臂的美國(guó)泳壇名將菲爾普斯被譽(yù)為“泳壇神童”

游泳運(yùn)動(dòng)員獲得推進(jìn)力后，必須在水中沖破“三大阻力”。其中的首屈一指的便是“壓差阻力”。水的密度是空氣的773倍，粘滯性是空氣的55倍。運(yùn)動(dòng)員把不可壓縮的水“擠”開后從中間穿越，水便繞著人體流向身后并產(chǎn)生漩渦，形成前后的壓力差（圖６）。身體縱軸越長(zhǎng)，越接近流線型，迎水截面積越小，壓差阻力就越小。這就是為什么優(yōu)秀的游泳運(yùn)動(dòng)員都有修長(zhǎng)的體型，前進(jìn)中盡量保持身體與水面平行，自由泳和仰泳要滾動(dòng)身體防止側(cè)擺，蛙泳要減少還原動(dòng)作的幅度。有經(jīng)驗(yàn)的教練員說(shuō)，“要想象自己是游在一個(gè)管子中。”

（６）水流與人體壓差阻力示意圖

因?yàn)槿思炔幌耵~類那樣游在水下，又不能像鴨子一樣浮在水上。我們游動(dòng)在水和空氣的界面，于是便不得不耗掉一部分體能去激起重重波浪。運(yùn)動(dòng)員在這種弓形波浪中游泳，如同“舉著”一定重量的水前進(jìn)，這便是位居第二的“波浪阻力”。留心觀察一下輪船頭部，吃水線以下做成球狀便是為了產(chǎn)生反相波，和船身激起的波浪相抵消，從而減少波浪阻力。游泳池里分隔泳道的小轉(zhuǎn)輪也是為了消除相鄰選手間的波浪干擾。潛水式蛙泳之所以速度更快就是因?yàn)橐粋€(gè)“猛子”扎在水底躲過(guò)了波浪阻力，所以才被認(rèn)為有違公平并不利于觀賞而遭取消。不過(guò)今天奧運(yùn)會(huì)的蛙泳比賽仍允許出發(fā)和轉(zhuǎn)身時(shí)潛水蹬劃一次，成了潛水蛙泳僅存的遺跡和運(yùn)動(dòng)員決不會(huì)錯(cuò)過(guò)的加速時(shí)機(jī)。

“摩擦阻力”是游泳運(yùn)動(dòng)的第三個(gè)束縛。由于水具有粘滯性，游泳時(shí)附著在身體表面的水分子便會(huì)依次帶動(dòng)相鄰層面的水分子前進(jìn)，這個(gè)“邊界層”中水分子的內(nèi)摩擦產(chǎn)生“摩擦阻力”。游泳運(yùn)動(dòng)員中盛行的“刮體毛”就是因?yàn)槟Σ磷枇蜕眢w表面積及粗糙度成正相關(guān)。

游泳時(shí)的三大阻力并非一成不變，隨著速度增加，摩擦阻力按線性增加、壓差阻力按平方增加、波浪阻力按立方增加，但由于主導(dǎo)部分始終是壓差阻力，因此總阻力基本和速度的平方成正比。不過(guò)千萬(wàn)別以為水的阻力越小越好，如果抱水、抓水、劃水、蹬水、打水的時(shí)候沒有阻力就會(huì)讓兩手撲空、兩腿打滑而失去一切動(dòng)力。簡(jiǎn)單的訣竅是，凡推進(jìn)身體向前的“有效動(dòng)作”都要充分利用阻力，凡阻礙身體向前的“無(wú)效動(dòng)作”都要盡量消除阻力。自由泳之所以最快，就是因?yàn)樯眢w平直、速度均勻、S型劃水、空中移臂等優(yōu)勢(shì)，而蛙泳之所以最慢則由于體態(tài)相對(duì)傾斜、速度忽快忽慢、收腿伸臂等還原動(dòng)作必須在水中完成。不過(guò)蛙泳卻從來(lái)是最普及和最具實(shí)用性的游泳姿勢(shì)。

（７）早期游泳衣增加了游泳者的阻力

讓時(shí)間回到奧運(yùn)會(huì)之初，用棉織平紋布和羅紋布制成的游泳衣松懈又兜水，帶來(lái)很大的阻力（圖７）。羊毛和絲綢的面料漸漸使游泳裝更加緊湊和貼身。而荒唐陳腐的道德觀念曾一度將游泳服視為異端。第7屆安德衛(wèi)普奧運(yùn)會(huì)上奪得3項(xiàng)游泳冠軍的美國(guó)“女飛魚”布萊特雷因在海濱穿短褲游泳而遭逮捕，“道學(xué)家”給她安的罪名是“有傷風(fēng)化”。1975年，荷蘭學(xué)者在船槽中把穿與不穿游泳服進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)穿游泳服比裸泳的阻力減少7%。原因是人作為四肢動(dòng)物，經(jīng)過(guò)這種“包裹”和覆蓋，能夠使全身曲線更加平滑和接近流線型，自此游泳服的“穿脫之爭(zhēng)”告一段落。1988年漢城奧運(yùn)會(huì)上，美國(guó)隊(duì)的“大力士”游泳服備受矚目，聚氨酯纖維和超細(xì)尼龍纖維不僅使游泳服的重量再度減輕，雙向伸縮性和整體平滑度都達(dá)到一時(shí)無(wú)兩的完美。到了二十世紀(jì)九十年代，無(wú)論從質(zhì)地材料到設(shè)計(jì)制作理念，游泳服都進(jìn)入了全新的快速發(fā)展時(shí)期。

2000年悉尼奧運(yùn)會(huì)成了鯊魚皮游泳服的“大秀臺(tái)”。澳大利亞泳星索普和他的隊(duì)友身披一襲黑色的連體緊身泳裝，英姿勃發(fā)，形貌奇特，宛如碧波中勇猛的鯊魚。這種游泳服按照激光測(cè)量的運(yùn)動(dòng)員身體數(shù)據(jù)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，用不親水的特氟綸纖維精制而成，將運(yùn)動(dòng)員從脖頸到手腕、腳踝包個(gè)嚴(yán)實(shí)。它的核心精華是，仿照鯊魚皮膚真實(shí)的結(jié)構(gòu)，在游泳服表面排列了百萬(wàn)個(gè)細(xì)小的棘齒。當(dāng)水分子沿著這些棘齒流過(guò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)微型的渦流，使得“邊界層”的分離點(diǎn)推后，從而延遲和弱化尾渦的形成（圖８）。這是一筆合算的交易，增加小額的摩擦力，減少大額的壓差阻力。表面光滑的高爾夫球一桿只能打出幾十米，而布滿500來(lái)個(gè)圓形或六邊形小坑的“麻臉”高爾夫球卻可以打到200米開外。鯊魚皮游泳服上小棘齒正是起著“麻子”的作用。

（８）顯微鏡下的鯊魚皮與泳衣

盡管對(duì)鯊魚皮、青蛙皮等仿生學(xué)游泳服的質(zhì)疑和爭(zhēng)論遠(yuǎn)未平息，全世界第一流商家卻都在傾注大量財(cái)富和心血，為開發(fā)新一代游泳服暗中角力和較勁。其實(shí)競(jìng)爭(zhēng)的目標(biāo)也許就是把游泳成績(jī)?cè)偬岣呤种幻?，但這對(duì)于決定運(yùn)動(dòng)員究竟是載譽(yù)而歸或是無(wú)功而返，可能已經(jīng)足夠了。