本刊綜合

2021年8月8日，第32屆夏季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)在東京閉幕。中國(guó)運(yùn)動(dòng)員在本屆奧運(yùn)會(huì)收獲獎(jiǎng)牌88枚，取得了中國(guó)奧運(yùn)團(tuán)境外參賽的最佳成績(jī)。

本屆奧運(yùn)會(huì)共設(shè)33個(gè)大項(xiàng)、339個(gè)小項(xiàng)比賽，其中每一項(xiàng)競(jìng)技都離不開科學(xué)的技術(shù)指導(dǎo)與輔助。技術(shù)與理論研究在競(jìng)技體育中的應(yīng)用能幫助運(yùn)動(dòng)員掌握運(yùn)動(dòng)技巧，從而讓其發(fā)揮出最佳水平。

現(xiàn)在，就讓我們換個(gè)角度揭秘奧運(yùn)。

科學(xué)選擇奧運(yùn)會(huì)舉辦時(shí)間

奧運(yùn)會(huì)的舉辦時(shí)間與各種自然要素息息相關(guān)，自然要素在不同時(shí)期對(duì)各類比賽項(xiàng)目的影響不盡相同，其中氣象因素對(duì)其影響最大。奧運(yùn)會(huì)的舉辦時(shí)間有以下幾點(diǎn)“講究”。

第一，避開低溫季節(jié)。以第27屆夏季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)為例，該屆奧運(yùn)會(huì)在悉尼舉辦，每年的7～8月南半球處于寒冷的冬季，該氣候不利于運(yùn)動(dòng)員在奧運(yùn)賽場(chǎng)上的發(fā)揮，因此，將奧運(yùn)會(huì)舉辦時(shí)間安排在溫度適宜、降水相對(duì)偏少的9～10月較為適宜。

第二，避開高溫季節(jié)。如第十七屆羅馬奧運(yùn)會(huì)舉辦地羅馬所屬地中海氣候，夏季氣候炎熱干燥，不利于奧運(yùn)會(huì)各項(xiàng)賽事的開展，因此，該屆奧運(yùn)會(huì)選擇在8～9月的秋季舉行。

第三，避開高溫多雨、多災(zāi)的季節(jié)。如北京奧運(yùn)會(huì)的舉辦時(shí)間為2008年8月8日—8月24日，這也是經(jīng)過科學(xué)論證的，氣象學(xué)家針對(duì)數(shù)十年來6月—9月的逐日溫度、濕度、降水等氣象要素的平均狀況、演變特征、極值的變化等進(jìn)行分析對(duì)比，評(píng)選出6個(gè)奧運(yùn)會(huì)協(xié)辦城市在比賽期間出現(xiàn)高溫、暴雨、沙塵和大風(fēng)等惡劣天氣的可能性較低。

時(shí)差對(duì)奧運(yùn)會(huì)比賽賽程的安排也有一定的影響。日本采用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間記錄為UTC+9（東九區(qū)），東九區(qū)是地球表面位于東經(jīng)127度30分—142度30分，較協(xié)調(diào)世界時(shí)快九小時(shí)的時(shí)區(qū)。東京奧運(yùn)會(huì)開幕時(shí)間為當(dāng)?shù)貢r(shí)間20∶00點(diǎn)整，世界的大部分地區(qū)正處于7月23日開幕式的同一天，體現(xiàn)了奧運(yùn)會(huì)這一世界性體育盛會(huì)的特征。

球類中的“飛毛腿”

羽毛球是奧運(yùn)場(chǎng)上的“飛毛腿”。丹麥選手科丁在印度羽毛球超級(jí)聯(lián)賽上曾殺出一記速度約118 m/s的殺球，這是目前吉尼斯官方認(rèn)可的羽毛球的最快速度。

羽毛球比賽場(chǎng)地長(zhǎng)13.4米，若以400km/h的球速計(jì)算，它穿過全場(chǎng)僅需約0.12秒。為什么觀看球賽時(shí)，我們看到的羽毛球速度并沒有那么快？這是因?yàn)?，羽毛球的最快速度只在球離開球拍的一瞬間，之后因承受巨大的氣動(dòng)阻力而迅速減速。

球體的尺寸、形狀和質(zhì)量差異使得它們有不同的速度以及運(yùn)動(dòng)軌跡。球體在空中的運(yùn)動(dòng)受自身重力和空氣阻力的作用，速度一般會(huì)逐漸減小。想要獲得最快的運(yùn)動(dòng)速度，球體需在離開運(yùn)動(dòng)員接觸的瞬間獲得最大加速度。相對(duì)于其他球體，羽毛球質(zhì)量較輕，因此，同等大小的力在它身上會(huì)產(chǎn)生更大的加速度。

乒乓球的質(zhì)量約為羽毛球的一半，且擊球方式相似，運(yùn)動(dòng)員在手臂、手腕以及球拍的共同作用下發(fā)力，揮拍產(chǎn)生極大的角速度。但乒乓球拍的長(zhǎng)度較短，產(chǎn)生的線速度較小，球拍發(fā)力遠(yuǎn)沒有羽毛球拍的發(fā)力大，因此，乒乓球的速度遠(yuǎn)比不上羽毛球的速度。

“搶跑”的那些事

在本屆奧運(yùn)會(huì)男子田徑100米的賽場(chǎng)上，尼日利亞選手起跑反應(yīng)時(shí)間為0.095秒，被認(rèn)定為“搶跑”而被紅牌罰下。

最短起跑反應(yīng)時(shí)間并不是0秒，而是0.100秒。在短跑比賽中，起跑反應(yīng)時(shí)間是指從發(fā)令槍響開始到起跑器記錄到超過閾值的力為止的時(shí)間。國(guó)際田徑聯(lián)合會(huì)規(guī)定，運(yùn)動(dòng)員的起跑反應(yīng)時(shí)間少于0.100秒時(shí)，即被視為“搶跑”。

這個(gè)規(guī)定參考了一項(xiàng)1990年的研究。該研究中記錄了8名芬蘭男性短跑運(yùn)動(dòng)員在起跑時(shí)的腿部肌電信號(hào)，當(dāng)肌肉的活動(dòng)水平超過基線10%時(shí)則記下反應(yīng)時(shí)間。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，起跑姿勢(shì)中前后兩條腿的平均反應(yīng)時(shí)間分別為0.121秒和0.119秒。

在實(shí)際起跑過程中，運(yùn)動(dòng)員身上究竟發(fā)生了什么呢？

發(fā)令槍響后，聲音通過空氣介質(zhì)傳入運(yùn)動(dòng)員的耳朵，聲波由耳蝸轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)，經(jīng)耳蝸神經(jīng)傳遞到腦干中的耳蝸核，隨后傳導(dǎo)至中腦的下丘，再到丘腦中的內(nèi)側(cè)膝狀體，最后抵達(dá)聽覺皮層。通過腦電記錄可知，聲音信號(hào)從耳朵抵達(dá)中樞神經(jīng)系統(tǒng)腦干大概需要3毫秒，到達(dá)人類的聽覺感知核心腦區(qū)——聽皮層需要35～50毫秒。

之后，聽皮層將信號(hào)傳導(dǎo)至控制運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)皮層，運(yùn)動(dòng)皮層的指令最終經(jīng)過腦干和脊髓到達(dá)全身肌肉，告訴運(yùn)動(dòng)員的身體該如何發(fā)力。運(yùn)動(dòng)信號(hào)從腦干到腿部需30～50毫秒，一般情況下，運(yùn)動(dòng)員身高越高，這個(gè)過程需要的時(shí)間越長(zhǎng)，從神經(jīng)信號(hào)到最終肌肉中間發(fā)生化學(xué)傳導(dǎo)需耗費(fèi)3～6毫秒。

除了依靠腿部肌肉接收到信號(hào)，還須等待肌肉收縮才能啟動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，這部分的機(jī)械延遲需15～20毫秒。

經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練，運(yùn)動(dòng)員的起跑反應(yīng)會(huì)逐漸達(dá)到自己的最佳水平。

“壓水花”的奧秘

東京奧運(yùn)會(huì)上，我國(guó)跳水運(yùn)動(dòng)健兒不負(fù)眾望，為祖國(guó)贏得多枚金牌。其中運(yùn)動(dòng)員們“壓水花”的技巧成為焦點(diǎn)。

壓水花的原理屬于流體力學(xué)范疇。運(yùn)動(dòng)員入水的過程就是固體與流體碰撞的過程，水花的大小與運(yùn)動(dòng)員身體的體積大小、入水時(shí)身體與水面的接觸面積呈正比。

首先，我們可將水簡(jiǎn)化成理想流體，將雙手合并成尖銳狀的入水動(dòng)作簡(jiǎn)化成楔形體，尖銳角即楔形體斜邊與水平線之間的夾角，夾角越大，撞水固體就越尖銳。當(dāng)夾角度為零時(shí)，楔形體就成為方形體，也就是目前跳水運(yùn)動(dòng)員通用的雙手翻掌成平面的撞水動(dòng)作。

根據(jù)相關(guān)力學(xué)原理及計(jì)算機(jī)演算得出，碰撞過程中沖擊力大小以及固體速度的衰減均與楔形體斜升角成反比，而液面濺起高度與其角度成正比。也就是說，斜升角越小，濺起水花的高度越小，“壓水花”就越成功。

只要頂肩翻掌平掌入水，就一定能壓住水花嗎？

當(dāng)楔形體以其尖銳端向下撞入水面時(shí)，最靠近楔形體斜面的水受到垂直于斜面的擠壓力作用會(huì)沿著該方向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)，處于斜面和液面交界點(diǎn)的水僅沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，由于上面的水已經(jīng)沿著這個(gè)方向逃逸，對(duì)于下面的水來說，該方向也成為最易逃逸的方向，因而不斷沿著該方向運(yùn)動(dòng)，從而形成巨大的水花。也就是說，下落速度越快，沖擊力越大，濺起的水花越大。

當(dāng)楔形體以方形體撞入水面時(shí)，水受垂直于水平面的擠壓力作用向下運(yùn)動(dòng)，這時(shí)，水沒有明顯易逃逸的方向而向四周擴(kuò)散，由于周邊都有其他水的反擠壓力，所以會(huì)使一部分水沿直壁向上運(yùn)動(dòng)。但高速向下運(yùn)動(dòng)的方形體會(huì)把緊貼著它的水帶著向下一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)這種運(yùn)動(dòng)速度大于水受擠壓沿壁向上運(yùn)動(dòng)的速度時(shí)，就不會(huì)出現(xiàn)明顯的水花。

實(shí)際上，高速翻轉(zhuǎn)的方形體撞擊水面時(shí)，速度的方向并不是垂直向下的，而是下落過程中各種運(yùn)動(dòng)速度的方向合成，通常合速度的方向指向側(cè)下方。如果保持以平面撞水，方形體就會(huì)向某一棱角方向運(yùn)動(dòng)，形成楔形體入水效果，水會(huì)沿著側(cè)面逃逸形成水花，這時(shí)運(yùn)動(dòng)員要根據(jù)不同的翻轉(zhuǎn)方向自主轉(zhuǎn)動(dòng)手腕，保持掌心平面正對(duì)合速度的方向，以獲得最佳的方形體效果。

因此，運(yùn)動(dòng)員既要頂肩翻掌使手形呈一定撞水面，降低水花高度，又必須采用一定的“揉水”技術(shù)，保持掌心面垂直于運(yùn)動(dòng)速度的方向，這樣才能有效地控制住水花。