奧運項目背后的物理學和生理學

撐桿跳

高低杠

皮劃艇

據(jù)美國《大眾機械》雜志報道，是什么讓邁克爾·菲爾普斯(Michael Phelps)成為世界頂級游泳高手？娜斯蒂亞·柳金(Nastia Liukin)又為何能夠在高低杠比賽中上演令人難于置信的下法？除了刻苦訓練這一必不可少的因素外，還有一個至關重要的因素幫助他們問鼎世界之巔，那就是科學。事實上，奧運會發(fā)展到今天，哪一個項目要想取得好成績，都離不開科學。
　　游泳：天賦、訓練和技術 一個都不能少
　　菲爾普斯絕對是游泳界的“超人”，僅在2004年雅典奧運會便一人獨得6塊金牌。對于他超凡的運動能力，有太多的記者施以重墨。菲爾普斯是一個運動天才，他的身體就像魚兒一樣，手和腳則讓人聯(lián)想到獨木舟的劃槳。他的成功告訴人們，如果沒有天賦作基礎，在奧運賽場上奪冠幾乎是不可能的事情。對于菲爾普斯來說，如想在北京打破馬克·施皮茨(Mark Spitz)創(chuàng)造的在一屆奧運會上獨得7枚金牌的紀錄，僅具備完美的自然條件還是遠遠不夠的，只有將天賦、訓練和技術三者有機結合才有可能在賽場上創(chuàng)造歷史。
　　身體條件：菲爾普斯的身體條件可謂完美無缺，就像是一臺為奪金而生的游泳機器。他的臂展長達6英尺7英寸(約合2米)，比身高高出3英寸(約合7.62厘米)。他的軀干較長，腿則相對較短，內(nèi)腿長為32英寸(約合81.28厘米)，所有這些天生優(yōu)勢讓他在水中所向披靡。
　　生物化學：在蝶泳等項目中，劃水會導致乳酸在肌肉中堆積，進而影響選手發(fā)揮。菲爾普斯肌肉中的具體乳酸水平仍舊是一個謎，但據(jù)測試結果顯示，他體內(nèi)天然產(chǎn)生的乳酸數(shù)量要遠遠低于絕大多數(shù)游泳選手。
　　柔韌性：一些運動項目需要力量，比如鉛球，其它一些項目需要柔韌性，比如體操，而游泳卻是二者缺一不可。菲爾普斯的肘部、膝蓋和踝部柔韌性極高，這就使得他在劃水時產(chǎn)生較其他選手來說更小的阻力。
　　流體力學：在200米自由泳比賽中，選手以每小時3.8英里(約合每小時6.1公里)的速度前進時，會消耗290千焦能量用以克服阻力。為了減少能量消耗，菲爾普斯采用一種更為高效的游泳姿勢——低頭提臀。
　　技術：菲爾普斯是海豚式打腿高手，通過觸壁轉(zhuǎn)身后拍打雙腿，他能夠獲得比劃水更快的速度，這一優(yōu)勢可幫助他領先其他選手半個身位。
　　訓練：菲爾普斯每天堅持訓練，泳池中訓練時間為4個小時，地上訓練時間為1個小時。由于游泳運動員每小時大約要消耗1000卡熱量，菲爾普斯通常只吃高碳水化合物食物，以避免糖原消耗。
　　馬拉松選手VS短跑選手：各取所需
　　耐力：能否在長跑比賽中取勝關鍵取決于有氧代謝能力。賴安·霍爾(Ryan Hall)的每分鐘每公斤體重最大吸氧量(以下簡稱VO2 max)為84.7毫升。頂級馬拉松選手的肌肉主要由慢肌纖維組成，慢肌纖維能夠讓氧的利用實現(xiàn)最大化，進而提高肌肉耐力。
　　爆發(fā)速度：在有氧代謝成為一個因素前，100米短跑就已經(jīng)結束了，也就是說，對于泰森·蓋伊(Tyson Gay)這樣的短跑選手而言，最大吸氧量遠沒有快肌纖維來得重要，他需要的是速度而不是耐力。短跑選手肌肉中的快肌纖維所占比重最大時可達到80%，它們的收縮速度最大可達到慢肌纖維的10倍。
　　大回環(huán)：就得按部就班
　　在外行人看來，美國隊柳金的大回環(huán)沒什么難的，無非是在杠上轉(zhuǎn)幾個圈。實際上，完成這一動作是一個非常復雜的過程，柳金和握杠之間存在力與能的相互轉(zhuǎn)換。完成大回環(huán)動作既需要力量，也需要技巧，選手必須保持較好姿態(tài)——手臂要直同時繃住腳尖——為完成空翻兩周這一下杠動作積累足夠動能。依靠傲人的力量和不可思議的時機掌握能力，柳金用一種優(yōu)雅的方式挑戰(zhàn)了地心引力。
　　1. 選手在杠上呈手倒立姿勢時，開始做大回環(huán)，她的雙腿挺直，腳尖繃緊向上。
　　2. 身體開始下落，手與杠之間產(chǎn)生的摩擦力減緩了旋轉(zhuǎn)速度，每秒的旋轉(zhuǎn)角度大約為275度。為了抵消摩擦力對速度的影響，選手雙腿下落，腰部微曲，就此避開低杠。
　　3. 在馬上呈垂直姿勢前，選手將背部拱起以提高轉(zhuǎn)動能。旋轉(zhuǎn)到底部時的下壓力可達到4到7個重力加速度，握杠最多可偏離中央位置4.5英寸(約合11.43厘米)。
　　4. 通過彎曲臀部、骨盆、腹部及向前擺腿，選手讓身體重心靠近旋轉(zhuǎn)中心。這一過程利用角動能提高角速度，每秒的旋轉(zhuǎn)角度可達到304度。
　　5. 此時距離下杠只有67微秒，選手身體在低于水平線10度以上和20度之間，空中停留時間不超過1.5秒。
　　撐桿跳：物理學唱主角
　　當前男子撐桿跳的世界紀錄為20英尺1.75英寸(約合6.14米)，由烏克蘭選手謝爾蓋·布勃卡(Sergei Bubka)在14年前創(chuàng)造。美國奧運選手布拉德·沃克(Brad Walker)是美國國內(nèi)紀錄保持者，成績?yōu)?9英尺9.75英寸(約合6.03米)。沃克靠什么才能讓自己跳過那額外的4英寸，答案是物理學加技巧，兩者所占比重分別為85%和15%。
　　為了在6英尺2英寸(約合1.87米)的有效距離內(nèi)積聚足夠動能以越過橫桿，沃克的助跑速度最少要達到每秒33英尺(約合每秒10米)。助跑之后便是撐桿，這一動作充當了彈簧的作用，將積聚的水平動能轉(zhuǎn)換為垂直方向，最終將他送到16.7英尺(約合5.09米)的高度。剩下的3.4英尺(約合1.03米)就要靠曲身來完成了，也就是提高身體重心，直至躍過橫桿。
　　1. 接近：選手助跑時的速度越快，在插桿斗插桿時轉(zhuǎn)移到撐桿的能量就越多。最為理想的情況是，選手要在不到10或12秒時間里達到最高速度。
　　2. 插桿：以18度插入插桿斗，撐桿與最初高度相比將彎曲大約70%，或者說彎曲角度在120至160度之間，撐桿彎曲程度取決于選手體重和所獲動能。
　　3. 騰躍：彎曲的撐桿獲得的勢能被轉(zhuǎn)回選手身體，變成動能。隨著撐桿開始伸直，選手距地面高度不斷升高，直至身體呈倒立姿態(tài)。
　　4. 躍桿：在空中停留時，選手必須控制身體以面向橫桿。在平時的訓練中，他們會通過蜷縮、旋轉(zhuǎn)和手倒立等方式熟練和掌握這項技術。
　　補水很重要：比賽期間，一名奧運選手每天最多飲用3加侖(約合11.35升)水，是正常人的5.5倍。在北京奧運會上，由于溫度超過85華氏度(約合29攝氏度)，濕度達到90%，選手將不得不喝掉更多的水。流失2%的體液(相當于一名81.64公斤的選手體重減少大約1.58公斤)足以讓選手在比賽中暈倒。運動營養(yǎng)學家南希·克拉克(Nancy Clark)解釋說：“缺水讓血液變得更加粘稠，進而增加心臟負擔，心臟必須更為賣力地工作才能保障供血。”由于大量出汗，選手需要適當補充水分，備戰(zhàn)下一輪比賽。
　　跳水：成敗只在一瞬間
　　在奧運會上，跳水因選手優(yōu)美的空中姿態(tài)成為觀眾關注的焦點。但很多外行人不知道的是，躍離跳板的一瞬間就已經(jīng)決定一名選手成或敗的命運了。
　　接近：選手快步接近跳板的過程實際上是積累動能。
　　壓板：在距離跳板邊緣12英寸(約合30.48 厘米)的地方，特羅伊·杜邁斯(Troy Dumais)躍向空中。跳起后向下壓跳板以積累機械力，大約為5000牛頓。
　　躍起：借助跳板的反彈力，杜邁斯的最高時速達到12.3英里(約合每小時19.79公里)，這至少可以將他送到距水面18英尺(約合5.48米)的高度。憑借這一高度，他的空中停留時間最多可達到1.5秒，同時賦予他完成技術動作所需的旋轉(zhuǎn)力。
　　皮劃艇：“騙”過逆水門
　　2008年奧運會皮劃艇比賽將在北京順義奧林匹克水上公園舉行。三屆奧運會皮劃艇選手斯科特·希普利(Scott Shipley)稱，這將是“力量、平衡能力和注意力”的一次較量。比賽中，皮劃艇選手必須通過懸浮在水面(水流速度大約為每秒4.57米)上的18到25道門，其中最難的部分當屬逆水門無疑，由于是“逆水行舟”，小小的失誤就可能造成滿盤皆輸。
　　1. 選手朝逆水門位置在順流中橫滑。隨著皮艇穿過門柱進入逆流，選手利用劃槳擺動船尾。
　　2. 由于只需頭部穿過逆水門便可大功告成，絕大多數(shù)選手會選擇“蒙騙”逆水們的方式，即將他們的皮艇劃到內(nèi)柱下方，而后靠旋轉(zhuǎn)船身繞過內(nèi)柱。如果選手轉(zhuǎn)動角度稍有偏差，順流將把皮艇掀翻，如果角度剛剛好，選手在轉(zhuǎn)向過程中將承受1.5個重力加速度。
　　3. 此時的選手開始逆流而上，北京賽場的水流速度達到每秒9英尺(約合每秒2.74米)。一旦過了逆水門，選手便向后傾斜，將船尾沒于水中，同時抬高船頭，將皮艇轉(zhuǎn)向半徑從11.5英尺(約合3.5米)減至大約5英尺(約合1.52米)左右。
　　4. 為了重新回到順流，選手必須依靠劃槳，產(chǎn)生65磅/英尺(約合96.73公斤/米)的扭距，而后朝下一個門進發(fā)，整個過程大約需要3.5秒。
　　奧運會球類項目用球的具體資料
　　足球：直徑8.6至8.9英寸(約合21.84至22.6厘米)，重量14.0至16.0盎司(約合396.89至453.59克)，估計最高時速82英里(約合每小時132公里)。
　　水球：直徑8.9英寸(約合22.6厘米)，重量14.0至16.0盎司(約合396.89至453.59克)，估計最高時速65英里(約合每小時105公里)。
　　排球：直徑8.3英寸(約合21.08厘米)，重量9.8盎司(約合277.82克)，最高時速112英里(約合每小時180公里)。
　　鉛球：直徑4.3至5.1英寸(約合10.92至12.95厘米)，重量16磅(約合7.25公斤)，最高時速30英里(約合每小時48公里)。
　　曲棍球：直徑2.8至3.0英寸(約合7.11至7.62厘米)，重量5.5至5.8盎司(約合155.92至164.42克)，估計最高時速99英里(約合每小時159公里)。
　　棒球：直徑2.9至3.0英寸(約合7.36至7.62厘米)，重量5.0至5.3盎司(約合141.74至150.25克)，拋球最高時速101英里(約合每小時163公里)。
　　網(wǎng)球：直徑2.5至2.6英寸(約合6.35至6.60厘米)，重量2.0至2.1盎司(約合56.69至59.53克)，最高時速155英里(約合每小時249公里)。
　　乒乓球：直徑1.6英寸(約合4.06厘米)，重量0.1盎司(約合2.83克)，估計最高時速70英里(約合每小時113公里)。