五環下的科技精彩

    新材料的風采

    縱觀近幾十年奧運會主辦國興建的體育場，氣勢宏偉，造型各異，引人遐想。若看體育場內的一片紅和一片綠，卻是驚人的相似：紅即指塑膠跑道，綠即指特別養護的草坪或人工草坪。

    早期的跑道或土質或煤渣，運動員的釘鞋踏過，便留下無數小坑小洼。若逢颳風下雨，這種跑道更讓人掃興。隨著新材料技術的發展，傳統跑道謀新圖變。1961年，美國明尼蘇達採礦製造公司（即3M公司）首先突破技術關，用聚氨酯材料鋪設了一條200米長的賽馬道，1963年又鋪設了田徑跑道，由於新跑道使用效果好，很快受到各國的重視。1965年聯邦德國正式生産塑膠跑道。1967年在加拿大召開的汎美運動會開始採用塑膠跑道。1968年在墨西哥召開的19屆奧林匹克運動會上，聚氨酯塑膠跑道被正式採用，為運動員提供了創造新紀錄的條件。此後，國際奧會正式把塑膠跑道定為國際比賽的必備條件之一，促使世界各國競相鋪設。

    測試表明，與傳統跑道相比，在塑膠跑道上百米跑，一般運動員可提高成績0.2～0.4秒，優秀運動員則更高一些。

    奧運會上，各國運動員的服裝形成亮麗的風景。其實，運動服裝並不在款式、顏色、大小，重要還在於質地和製作。典型如游泳衣，對成績的影響極為顯著。流體力學的研究表明，阻力若減少1%，速度可提高0.3%。以百米游泳為例，若兩名運動員水準相當，穿新式低阻力泳衣的運動員速度可提高0.5秒或更多。隨著新材料的研製，許多特種纖維用於製作泳衣。

    過去人們曾錯誤地認為不穿泳衣阻力最小，且所用相對落後的測試手段也予以證明。但新的測試表明，採用新材料的泳衣可使運動員游泳時摩擦阻力變得更小，形成零阻力甚至負阻力，其原因就在於通過泳衣與人體的整體設計，用泳衣來彌補人體體型的不足。這也就是為何近年許多游泳運動員都改三角褲為長褲，或身體包嚴只露手臂，而這種新式泳衣也被人們形象地稱為“鯊魚皮”。

    北京奧運會上，第四代“鯊魚皮”亮相“水立方”。第四代“鯊魚皮”的新泳衣由具有極輕、低阻、防水和快乾性能的LZRPulse材料製成。據研製“鯊魚皮”四代的美國Speedo公司宣稱，所用LZRPulse材料是借助了美國國家航空及太空總署（NASA）測試航太器進入地球大氣層表面承受摩擦力的風洞，對100余種材料進行測試後選定的。在本屆奧運會上，美國泳壇名將菲爾普斯借第四代“鯊魚皮”東風，在“水立方”勇奪8枚金牌，成為一屆奧運會獲得金牌最多的運動員，書寫了奧林匹克歷史上的新紀錄。

    當然，也不能把“鯊魚皮”過分神話。由於“鯊魚皮”泳衣是以歐美運動員的體型為藍本設計製作，因此亞洲選手在將其“拿來主義”的同時，很多情況下會出現“水土不服”。就在8月10日的女子400米混合泳決賽中，中國年僅14歲的游泳小將李玄旭僅獲得第8名，其成績低於預賽，接受採訪時她説，剛穿上新式泳衣還不太適應。

    新材料應用也體現在體育器械上。以撐桿跳高為例，1930年代，各國運動員使用的撐桿是日本産的竹子，跳躍高度不超過4米。第二次世界大戰後，出現了鋁合金金屬桿，成績提高到4.77米。1960年代，撐桿跳高發生了劃時代的變化，運動員改用尼龍撐桿，不久又換為碳纖維桿。從此，世界紀錄屢屢被刷新。成績提高的原因就在於撐桿的力學特性。與竹竿和鋁合金桿相比，玻璃纖維桿和碳纖維桿在受到衝力時能産生大幅度的形變，這種形變可將接受的動能迅速轉化為勢能，而當撐桿恢復原來的形狀時，其勢能又以彈力的形式作用於運動員，將人體“彈”起。另外，由於撐桿受力後能迅速彎曲，桿繞插頭向前轉動的半徑減小，這樣就加大了轉動角速度，而使撐桿能較快地豎直。

    再看擊劍用材料。傳統的花劍、重劍和佩劍所用的材料均是碳鋼，這種材料內部結構極易産生微裂，導致折斷。著名運動員欒菊傑在奧運會比賽時就曾被對方折斷的劍尖刺傷過。為避免傷害，現均採用“馬氏體時效鋼”，其成分為鐵鎳和鈦，經長時間時效與彎曲處理，內部微裂紋只有碳鋼的1/20，不易折斷，新材料所制的劍使運動員能無所畏懼地完成各種動作。

    新技術的精準

    奧運許多比賽項目都需要計時，今天，許多以分秒計算的紀錄都在小數點後精確到兩位。從1秒到1/10秒，再到1/100秒，甚至1/1000秒，體現著科技的進步。

    早期奧運會，計時尚粗糙。當時採用有獨立秒針的計時碼表（chronograph）。計時碼表主要基於機械錶的技術，計時的準確性依賴於製表工匠的精確調校。隨著鐘錶技術的改進，從機械錶到石英錶，再到電子計時技術，計時碼表也得到長足發展，但其在比賽計時的原理並沒有改變——從運動員出發開始計時，到衝過終點時停止計時。

    也許很難想像，1928年阿姆斯特丹奧運會上，計時員還得自備計時表。當時，所有比賽的時間只能精確到接近五分之一秒，而大會也僅能提供田徑運動冠軍的官方記錄時間。現場觀眾，有時甚至裁判員都只能通過目測來判斷比賽的結果。1932年洛杉磯奧運會上，情況有了改變。歐米茄成為第一家擔任奧運會指定計時的公司，所提供的30隻1130號機芯計時表可保證精度接近十分之一秒的準確計時。

    隨著電子技術的發展，在奧運會中，全自動計時裝置逐步取代了計時員的工作。全自動計時裝置通過與發令槍等相連，自動開始比賽計時，並利用攝像技術精確地記錄比賽成績，使得一項項世界紀錄變得更為可靠。

    在1992年阿爾貝維爾冬季奧運會上，又是歐米茄首次在四場短道速度滑冰賽使用了光感攝影機（Scan-OVision）。在傳統的膠捲攝影機中，計時和快門是兩個獨立運作的機構，因此對運動員成績的精確計時幫助不大，而新系統將計時和快門合併于一台整合電路攝影機，利用線性垂直記錄技術和整合開關電路，拍攝下選手到終點的準確時間。數位技術的應用，不但使光感攝影機將運動員的比賽成績精確到千分之一秒，而且可以使公眾在第一時間通過電子記分板觀看現場衝線的成績。

    除了終點的鎖定，起跑的嚴控也很有意思。在起跑器上安裝了一個與發令槍聯動的傳感裝置，當壓力達到給定數值（男子29千克，女子27千克）時便會被觸發，並自動顯示出運動員起跑反應的時間。1988年漢城奧運會上，德國十項全能選手海格森雖榮為前世界記錄保持者，卻因連續3次搶跑千分之一秒而失去衛冕機會。

    對游泳比賽來説，奪冠不是看誰身體先過線，而是手指最先觸碰壁板。泳池的金銀之爭也就百分之幾秒的區分，傳統計時根本無法勝任。1968年墨西哥奧運會上，終點電子觸摸屏首次啟用，這是一塊90釐米高、2.4米寬的平板，三分之二浸沒在水中，能夠靈敏地感受運動員手指的輕微觸碰，卻對波浪的拍擊不作反應，自此，游泳計時被精確到千分之一秒。游泳池的出發臺和田徑賽的起跑器一樣裝有壓力感測器，以防運動員入水犯規。1991年澳大利亞世界游泳錦標賽上，計時系統無情顯示美國女子接力運動員搶先百分之一秒入水，使正在擁抱歡呼勝利的姑娘轉瞬痛哭。

    如今，奧運會中自行車、賽艇、馬術等項目，計時精度都達到了千分之一秒，帆船比賽中的計時甚至裝備了全球衛星定位系統（GPS）。

    如果説計時技術讓每一項比賽的成績更為可靠，那麼電子記分板則在讓現場觀眾更快地知道比賽結果的同時，也記錄著奧運會上每一項突破性的成績。在偌大的體育場裏，坐在後排的觀眾，如果不是借助巨大的記分板以及大螢幕的顯示，是很難知悉比賽結果的，這樣也就失去了現場觀賽的意義。而大螢幕之於奧運賽場，正是螢幕技術不斷改進和完善的體現。近年來大螢幕技術發展迅速，除了應用電漿、液晶技術外，發光二極體（LED）有異軍突起之勢。北京奧運會上，各大場館都裝備了LED大螢幕，從電視轉播可以看到鯊魚皮泳衣的結構，V字型可以減少游泳時水流帶來的阻力，現場大螢幕很快顯示出運動員的比賽成績，通過高清電視轉播技術，場外觀眾也能感受到場內熱烈的氣氛。

    新設計的優勢

    運動員離不開運動服、運動鞋（游泳、跳水等項目除外），如今運動服（鞋）的材料和設計都十分重視科技的運用。不同的項目對運動衣（鞋）的要求差異很大，如籃球和排球的運動衣有區別（尤其是短褲），前者肥大寬鬆，後者短小緊身；籃球鞋和足球鞋截然不同，前者帶氣墊吸盤，後者則有鞋釘。

    以往田徑選手比較偏愛傳統分離式的運動背心和短褲，但這樣的款式有一些不太合理的地方，在運動員跑的時候，運動服會在身後迎風鼓起，形成一定的阻力，針對這個問題，科研人員採用了“無縫拼接技術”設計，北京奧運會上就有田徑運動員身著這種新式戰衣亮相。新戰衣運用網層系統來增加透氣性，在運動背心的上肩周圍沒有任何粘合、衣襬和接縫，由此可以減少摩擦；短褲的前部比較扁平，在跑的過程中可以減少風的阻力。據測試，新戰衣可以減少7%的風阻，提高0.02秒的成績。

    許多比賽項目，運動鞋之於運動員，如同良馬之於好馭手。正是意識到這一技術關鍵，近幾十年來，許多國家都重視對運動鞋的研究，以通過合理設計來滿足運動員所需的減震、穩定、輕便等要求。其中涉及根據人體結構和運動項目的特點，在整個鞋底選擇適宜部位採用吸熱材料與彈性材料，兩者絕佳的配合，既能保證消除衝擊力，又能保證運動員獲得足夠的反彈力。

    1970年代，美國製鞋公司加大對運動鞋的研發，其中最有影響的一項發明是氣墊技術。在鞋內加氣囊的想法由來已久，然而很長時間沒有真正滿意的設計出現，因為衝擊力太大，氣囊很容易被擠破，鞋隨之漏氣。1980年，加盟耐克公司的魯迪開發出一種聚氨酯囊，可以讓氣體在不同氣室間互相轉移，以緩和運動時的衝擊力。此技術被稱為“擴散式充氣”。耐克公司最終研製成富有彈性、不外漏的氣墊，並採用一種大分子結構的氣體來充填。芝加哥公牛隊的喬丹與耐克簽約作為品牌代言人，喬丹穿著耐克的氣墊鞋有超凡表現，給無數觀眾留下深刻的印象。

    “中國飛人”劉翔，其參戰奧運的戰靴備受關注。自2002年耐克與劉翔合作以來，耐克為劉翔專門成立了一個研究小組，多次與劉翔溝通，針對他的腳型設計，並經試穿改進。劉翔的新戰靴，鞋底為五釘，鞋面厚度不到2微米，只靠纖細的纖維支撐。耐克宣稱，這雙運動鞋是有史以來最輕質、最牢固的運動鞋，為劉翔一人專用。

    無獨有偶。世界百米飛人蓋伊、鮑威爾也都有專用跑鞋。在8月14日賽前的新聞發佈會上，鮑威爾亮出了耐克為他“量腳定做”的戰靴，這款名叫Aerofly的戰靴，重量僅186克。

    足球鞋倒是無需一人專用，其設計另有講究。傳統的足球鞋普遍採用金屬釘墊，並將鞋釘通過螺絲擰緊，鞋底嵌的鞋釘雖能提供運動員一個向前的動力，但因鞋釘易陷入土裏，運動員急速變換方向時常因鞋釘不適而造成膝部與腳腕受傷，而且也難以提供側向的動力。而今設計的足球鞋以突脊取代鞋釘，鞋底用橡膠材料，而且前鞋底有數條傾斜性突脊，後鞋底有一個十字架形突脊。傾斜性突脊有助於運動員在助跑時靈活地控制方向，十字架形突脊有助於保持運動員跑動時的穩定。

    許多體育器械都重視設計。自行車、射擊步槍等器械，遠非普通民用品可比，技術含量甚高。

    不妨對形狀看似簡單的網球拍作些了解。早期的網球拍由工匠用白蠟木製成，利用傳統的蒸汽法使球拍框彎曲成形。隨著科技的進步，開始用複合木材製作，以彌補單一材料的缺陷。1975年，普林斯公司設計出新式網球拍，並申請專利，這種球拍的頭部較大，由鋁合金型材製成，比起木拍子來要堅固也更輕便。這種拍子可以做大很多，因而形成的“最佳擊球點”面積也較大，但又不會造成重量或硬度方面的犧牲。新球拍的出現引起網球界的軒然大波，最後迫使國際網球協會（ITF）不得不在1979年修改比賽規則。20世紀末，碳纖維網球拍已成為主流。現代球拍與早期的木質球拍比，拍頭要大40%，堅固程度約為原來的300%，但卻輕30%左右。

    新訓練的科學

    在奧運“更快、更高、更強”的理念中，也凝聚了運動醫學和運動心理學等科學知識的成果。

    許多運動都要求從孩童時期開始培養，不僅要看孩子是否具有某種運動的天賦，還重在看他們的身體條件是否符合培養的要求。以往僅憑經驗選拔運動員有很大的盲目性，而今科研人員結合分子遺傳學的理論和技術成果，在對運動員苗子的選拔上已取得突破性進展。以中長跑等需要耐力的運動為例，優秀的運動員擁有較常人更多的紅肌纖維。而在短跑和舉重等需要爆發力的運動中，優秀的選手往往具有更多的白肌纖維。紅肌纖維的有氧代謝能力比白肌纖維強，因為紅肌纖維有氧氧化酶系統活性高，毛細血管的數量、線粒體的大小和體積、肌紅蛋白的含量等均大於白肌纖維，能使人維持長時間工作不易疲勞，所以紅肌適合於強度小、工作時間長的耐力性運動項目。而白肌纖維和紅肌纖維的數量很大程度上是由遺傳來決定，這也就是為什麼在奧運會的耐力項目5000米、10000米的比賽中，來自非洲的運動員常常能取得驕人的成績。

    除了肌肉纖維類型可以用來預測身體素質外，遺傳學還為選拔運動員提供了其他許多可靠的依據。從選用足長、頭圍等形態指標預測身高，從體型到運動項目特點，從最大耗氧量等機能指標與期望身體素質的關係，以及從皮紋、血型甚至額部髮際參差狀況與確定人體運動能力、適宜運動項目之間的關係等都已被運用到運動員的前期選拔中。

    北京奧運會上，中國舉重運動員連創佳績，説來都與選苗子分不開。69公斤級金牌得主廖輝的經歷頗有戲劇性。廖輝出生於著名的體操之鄉湖北仙桃，他小時候夢想成為一名體操運動員，7歲去體校報名時當即被體操教練拒絕，而後不久卻被舉重教練一眼看中。

    天素質明顯可以提高成為一位優秀運動員的概率，但是營養條件和運動訓練等後天因素同樣起著至關重要的作用。實際上，在奧運會中不乏先天不足，而靠後天鍛鍊取得優異成績的例子。

    在1960年羅馬奧運會上，來自美國的魯道夫一口氣奪得了女子100米、200米和4100米接力3枚金牌，震驚了全世界，被人們稱為“黑羚羊”。而人們無法想像的是，在幼年時期，魯道夫曾兩次患肺炎，並因感染猩紅熱而差點喪命，4歲時又患上了小兒麻痹症，行走必須靠支架來支撐。但在現代醫學的指導下，她經過7年的艱苦努力，通過康復訓練和家人的按摩已經恢復到可以不需要支撐物站立了。在科學訓練的指導下，魯道夫創造了一個又一個的奇跡。同樣，1900年巴黎奧運會上一人拿到立定跳遠、立定跳高和立定三級跳遠三枚金牌的尤裏和1920年安特衛普奧運會上一人奪得100米、300米自由泳和4100米自由泳接力三項冠軍的布萊布特雷都曾在各自的童年時期患過小兒麻痹症，他們創造的奇跡讓我們對奧運精神的領會得到了昇華，同時也讓我們感嘆科學訓練的巨大成功。

    皮划艇是奧運會中的獎牌大戶，共設有16枚金牌。這項運動對運動員身體有著特殊要求，除了幾乎相同的身高外，運動員必須通過肌電測試後，才能合理地安排訓練和比賽中的隊員搭配。肌電圖能夠有效地檢測肌肉活動水準，觀測運動疲勞的發生和發展過程，並且可通過肌電圖的數據計算出運動員的疲勞閾，據此教練員可針對運動員提供相應的訓練。在皮划艇的訓練中，運動員大多時間是依靠工具進行陸地訓練，而臥推和臥拉練習同樣是根據運動過程的肌電分析，觀測不同肌肉群的做功比率，對動作進行規範和改進。

    除力量練習外，還需要運動員進行身體柔韌性和協調性的訓練。實際上，中國皮划艇隊已經與中國雜技團簽訂合作協議，雜技團的教練曾多次應邀到皮划艇隊指導運動員訓練，還為後者制定了針對協調性和柔韌性的訓練方案；皮划艇隊的隊員也曾赴雜技團學習取經。這些訓練方法的有效性已在比賽中得到了證實：2008年，中國隊在奧運會大洋洲資格賽上取得1金1銀1銅的成績，胡明海和舒俊榕戰勝奧運會冠軍奪得男子雙人划艇冠軍更是歷史性的突破。

    運動醫學和心理學等科學技術的發展，現已服務於體育的各個環節，從為挑選“好苗子”提供了可靠的依據，到科學合理的訓練方法，以及大賽前的心理調整。一個個奇跡的創造不單是運動員自身的能力，也是現代科學技術完美應用的體現。