奧運(yùn)項(xiàng)目背后的物理學(xué)和生理學(xué)

撐桿跳

高低杠

皮劃艇

據(jù)美國(guó)《大眾機(jī)械》雜志報(bào)道，是什么讓邁克爾·菲爾普斯(Michael Phelps)成為世界頂級(jí)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(xùn)練這一必不可少的因素外，還有一個(gè)至關(guān)重要的因素幫助他們問(wèn)鼎世界之巔，那就是科學(xué)。事實(shí)上，奧運(yùn)會(huì)發(fā)展到今天，哪一個(gè)項(xiàng)目要想取得好成績(jī)，都離不開(kāi)科學(xué)。
　　游泳：天賦、訓(xùn)練和技術(shù) 一個(gè)都不能少
　　菲爾普斯絕對(duì)是游泳界的“超人”，僅在2004年雅典奧運(yùn)會(huì)便一人獨(dú)得6塊金牌。對(duì)于他超凡的運(yùn)動(dòng)能力，有太多的記者施以重墨。菲爾普斯是一個(gè)運(yùn)動(dòng)天才，他的身體就像魚(yú)兒一樣，手和腳則讓人聯(lián)想到獨(dú)木舟的劃槳。他的成功告訴人們，如果沒(méi)有天賦作基礎(chǔ)，在奧運(yùn)賽場(chǎng)上奪冠幾乎是不可能的事情。對(duì)于菲爾普斯來(lái)說(shuō)，如想在北京打破馬克·施皮茨(Mark Spitz)創(chuàng)造的在一屆奧運(yùn)會(huì)上獨(dú)得7枚金牌的紀(jì)錄，僅具備完美的自然條件還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有將天賦、訓(xùn)練和技術(shù)三者有機(jī)結(jié)合才有可能在賽場(chǎng)上創(chuàng)造歷史。
　　身體條件：菲爾普斯的身體條件可謂完美無(wú)缺，就像是一臺(tái)為奪金而生的游泳機(jī)器。他的臂展長(zhǎng)達(dá)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(zhǎng)，腿則相對(duì)較短，內(nèi)腿長(zhǎng)為32英寸(約合81.28厘米)，所有這些天生優(yōu)勢(shì)讓他在水中所向披靡。
　　生物化學(xué)：在蝶泳等項(xiàng)目中，劃水會(huì)導(dǎo)致乳酸在肌肉中堆積，進(jìn)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(gè)謎，但據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示，他體內(nèi)天然產(chǎn)生的乳酸數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于絕大多數(shù)游泳選手。
　　柔韌性：一些運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目需要力量，比如鉛球，其它一些項(xiàng)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(shí)產(chǎn)生較其他選手來(lái)說(shuō)更小的阻力。
　　流體力學(xué)：在200米自由泳比賽中，選手以每小時(shí)3.8英里(約合每小時(shí)6.1公里)的速度前進(jìn)時(shí)，會(huì)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(shì)——低頭提臀。
　　技術(shù)：菲爾普斯是海豚式打腿高手，通過(guò)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(shì)可幫助他領(lǐng)先其他選手半個(gè)身位。
　　訓(xùn)練：菲爾普斯每天堅(jiān)持訓(xùn)練，泳池中訓(xùn)練時(shí)間為4個(gè)小時(shí)，地上訓(xùn)練時(shí)間為1個(gè)小時(shí)。由于游泳運(yùn)動(dòng)員每小時(shí)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(zhǎng)跑比賽中取勝關(guān)鍵取決于有氧代謝能力。賴(lài)安·霍爾(Ryan Hall)的每分鐘每公斤體重最大吸氧量(以下簡(jiǎn)稱(chēng)VO2 max)為84.7毫升。頂級(jí)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(shí)現(xiàn)最大化，進(jìn)而提高肌肉耐力。
　　爆發(fā)速度：在有氧代謝成為一個(gè)因素前，100米短跑就已經(jīng)結(jié)束了，也就是說(shuō)，對(duì)于泰森·蓋伊(Tyson Gay)這樣的短跑選手而言，最大吸氧量遠(yuǎn)沒(méi)有快肌纖維來(lái)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(shí)可達(dá)到80%，它們的收縮速度最大可達(dá)到慢肌纖維的10倍。
　　大回環(huán)：就得按部就班
　　在外行人看來(lái)，美國(guó)隊(duì)柳金的大回環(huán)沒(méi)什么難的，無(wú)非是在杠上轉(zhuǎn)幾個(gè)圈。實(shí)際上，完成這一動(dòng)作是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)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(dòng)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(shí)繃住腳尖——為完成空翻兩周這一下杠動(dòng)作積累足夠動(dòng)能。依靠傲人的力量和不可思議的時(shí)機(jī)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(shì)時(shí)，開(kāi)始做大回環(huán)，她的雙腿挺直，腳尖繃緊向上。
　　2. 身體開(kāi)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(duì)速度的影響，選手雙腿下落，腰部微曲，就此避開(kāi)低杠。
　　3. 在馬上呈垂直姿勢(shì)前，選手將背部拱起以提高轉(zhuǎn)動(dòng)能。旋轉(zhuǎn)到底部時(shí)的下壓力可達(dá)到4到7個(gè)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(guò)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(guò)程利用角動(dòng)能提高角速度，每秒的旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)到304度。
　　5. 此時(shí)距離下杠只有67微秒，選手身體在低于水平線(xiàn)10度以上和20度之間，空中停留時(shí)間不超過(guò)1.5秒。
　　撐桿跳：物理學(xué)唱主角
　　當(dāng)前男子撐桿跳的世界紀(jì)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(guó)奧運(yùn)選手布拉德·沃克(Brad Walker)是美國(guó)國(guó)內(nèi)紀(jì)錄保持者，成績(jī)?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(guò)那額外的4英寸，答案是物理學(xué)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(dòng)能以越過(guò)橫桿，沃克的助跑速度最少要達(dá)到每秒33英尺(約合每秒10米)。助跑之后便是撐桿，這一動(dòng)作充當(dāng)了彈簧的作用，將積聚的水平動(dòng)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(lái)完成了，也就是提高身體重心，直至躍過(guò)橫桿。
　　1. 接近：選手助跑時(shí)的速度越快，在插桿斗插桿時(shí)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(shí)間里達(dá)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(shuō)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(dòng)能。
　　3. 騰躍：彎曲的撐桿獲得的勢(shì)能被轉(zhuǎn)回選手身體，變成動(dòng)能。隨著撐桿開(kāi)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(shí)，選手必須控制身體以面向橫桿。在平時(shí)的訓(xùn)練中，他們會(huì)通過(guò)蜷縮、旋轉(zhuǎn)和手倒立等方式熟練和掌握這項(xiàng)技術(shù)。
　　補(bǔ)水很重要：比賽期間，一名奧運(yùn)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(yùn)會(huì)上，由于溫度超過(guò)85華氏度(約合29攝氏度)，濕度達(dá)到90%，選手將不得不喝掉更多的水。流失2%的體液(相當(dāng)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(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)學(xué)家南希·克拉克(Nancy Clark)解釋說(shuō)：“缺水讓血液變得更加粘稠，進(jìn)而增加心臟負(fù)擔(dān)，心臟必須更為賣(mài)力地工作才能保障供血。”由于大量出汗，選手需要適當(dāng)補(bǔ)充水分，備戰(zhàn)下一輪比賽。
　　跳水：成敗只在一瞬間
　　在奧運(yùn)會(huì)上，跳水因選手優(yōu)美的空中姿態(tài)成為觀(guān)眾關(guān)注的焦點(diǎn)。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(yùn)了。
　　接近：選手快步接近跳板的過(guò)程實(shí)際上是積累動(dòng)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(jī)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(shí)速達(dá)到12.3英里(約合每小時(shí)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(shí)間最多可達(dá)到1.5秒，同時(shí)賦予他完成技術(shù)動(dòng)作所需的旋轉(zhuǎn)力。
　　皮劃艇：“騙”過(guò)逆水門(mén)
　　2008年奧運(yùn)會(huì)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(yùn)會(huì)皮劃艇選手斯科特·希普利(Scott Shipley)稱(chēng)，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(guò)懸浮在水面(水流速度大約為每秒4.57米)上的18到25道門(mén)，其中最難的部分當(dāng)屬逆水門(mén)無(wú)疑，由于是“逆水行舟”，小小的失誤就可能造成滿(mǎn)盤(pán)皆輸。
　　1. 選手朝逆水門(mén)位置在順流中橫滑。隨著皮艇穿過(guò)門(mén)柱進(jìn)入逆流，選手利用劃槳擺動(dòng)船尾。
　　2. 由于只需頭部穿過(guò)逆水門(mén)便可大功告成，絕大多數(shù)選手會(huì)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(guò)內(nèi)柱。如果選手轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)程中將承受1.5個(gè)重力加速度。
　　3. 此時(shí)的選手開(kāi)始逆流而上，北京賽場(chǎng)的水流速度達(dá)到每秒9英尺(約合每秒2.74米)。一旦過(guò)了逆水門(mén)，選手便向后傾斜，將船尾沒(méi)于水中，同時(shí)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(gè)門(mén)進(jìn)發(fā)，整個(gè)過(guò)程大約需要3.5秒。
　　奧運(yùn)會(huì)球類(lèi)項(xiàng)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(jì)最高時(shí)速82英里(約合每小時(shí)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(jì)最高時(shí)速65英里(約合每小時(shí)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(shí)速112英里(約合每小時(shí)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(shí)速30英里(約合每小時(shí)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(jì)最高時(shí)速99英里(約合每小時(shí)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(shí)速101英里(約合每小時(shí)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(shí)速155英里(約合每小時(shí)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(jì)最高時(shí)速70英里(約合每小時(shí)113公里)。