五环下的科技精彩

    新材料的风采

    纵观近几十年奥运会主办国兴建的体育场，气势宏伟，造型各异，引人遐想。若看体育场内的一片红和一片绿，却是惊人的相似：红即指塑胶跑道，绿即指特别养护的草坪或人工草坪。

    早期的跑道或土质或煤渣，运动员的钉鞋踏过，便留下无数小坑小洼。若逢刮风下雨，这种跑道更让人扫兴。随着新材料技术的发展，传统跑道谋新图变。1961年，美国明尼苏达采矿制造公司（即3M公司）首先突破技术关，用聚氨酯材料铺设了一条200米长的赛马道，1963年又铺设了田径跑道，由于新跑道使用效果好，很快受到各国的重视。1965年联邦德国正式生产塑胶跑道。1967年在加拿大召开的泛美运动会开始采用塑胶跑道。1968年在墨西哥召开的19届奥林匹克运动会上，聚氨酯塑胶跑道被正式采用，为运动员提供了创造新纪录的条件。此后，国际奥委会正式把塑胶跑道定为国际比赛的必备条件之一，促使世界各国竞相铺设。

    测试表明，与传统跑道相比，在塑胶跑道上百米跑，一般运动员可提高成绩0.2～0.4秒，优秀运动员则更高一些。

    奥运会上，各国运动员的服装形成亮丽的风景。其实，运动服装并不在款式、颜色、大小，重要还在于质地和制作。典型如游泳衣，对成绩的影响极为显著。流体力学的研究表明，阻力若减少1%，速度可提高0.3%。以百米游泳为例，若两名运动员水平相当，穿新式低阻力泳衣的运动员速度可提高0.5秒或更多。随着新材料的研制，许多特种纤维用于制作泳衣。

    过去人们曾错误地认为不穿泳衣阻力最小，且所用相对落后的测试手段也予以证明。但新的测试表明，采用新材料的泳衣可使运动员游泳时摩擦阻力变得更小，形成零阻力甚至负阻力，其原因就在于通过泳衣与人体的整体设计，用泳衣来弥补人体体型的不足。这也就是为何近年许多游泳运动员都改三角裤为长裤，或身体包严只露手臂，而这种新式泳衣也被人们形象地称为“鲨鱼皮”。

    北京奥运会上，第四代“鲨鱼皮”亮相“水立方”。第四代“鲨鱼皮”的新泳衣由具有极轻、低阻、防水和快干性能的LZRPulse材料制成。据研制“鲨鱼皮”四代的美国Speedo公司宣称，所用LZRPulse材料是借助了美国国家航空及太空总署（NASA）测试航天器进入地球大气层表面承受摩擦力的风洞，对100余种材料进行测试后选定的。在本届奥运会上，美国泳坛名将菲尔普斯借第四代“鲨鱼皮”东风，在“水立方”勇夺8枚金牌，成为一届奥运会获得金牌最多的运动员，书写了奥林匹克历史上的新纪录。

    当然，也不能把“鲨鱼皮”过分神话。由于“鲨鱼皮”泳衣是以欧美运动员的体型为蓝本设计制作，因此亚洲选手在将其“拿来主义”的同时，很多情况下会出现“水土不服”。就在8月10日的女子400米混合泳决赛中，中国年仅14岁的游泳小将李玄旭仅获得第8名，其成绩低于预赛，接受采访时她说，刚穿上新式泳衣还不太适应。

    新材料应用也体现在体育器械上。以撑杆跳高为例，1930年代，各国运动员使用的撑杆是日本产的竹子，跳跃高度不超过4米。第二次世界大战后，出现了铝合金金属杆，成绩提高到4.77米。1960年代，撑杆跳高发生了划时代的变化，运动员改用尼龙撑杆，不久又换为碳纤维杆。从此，世界纪录屡屡被刷新。成绩提高的原因就在于撑杆的力学特性。与竹竿和铝合金杆相比，玻璃纤维杆和碳纤维杆在受到冲力时能产生大幅度的形变，这种形变可将接受的动能迅速转化为势能，而当撑杆恢复原来的形状时，其势能又以弹力的形式作用于运动员，将人体“弹”起。另外，由于撑杆受力后能迅速弯曲，杆绕插头向前转动的半径减小，这样就加大了转动角速度，而使撑杆能较快地竖直。

    再看击剑用材料。传统的花剑、重剑和佩剑所用的材料均是碳钢，这种材料内部结构极易产生微裂，导致折断。著名运动员栾菊杰在奥运会比赛时就曾被对方折断的剑尖刺伤过。为避免伤害，现均采用“马氏体时效钢”，其成分为铁镍和钛，经长时间时效与弯曲处理，内部微裂纹只有碳钢的1/20，不易折断，新材料所制的剑使运动员能无所畏惧地完成各种动作。

    新技术的精准

    奥运许多比赛项目都需要计时，今天，许多以分秒计算的纪录都在小数点后精确到两位。从1秒到1/10秒，再到1/100秒，甚至1/1000秒，体现着科技的进步。

    早期奥运会，计时尚粗糙。当时采用有独立秒针的计时码表（chronograph）。计时码表主要基于机械表的技术，计时的准确性依赖于制表工匠的精确调校。随着钟表技术的改进，从机械表到石英表，再到电子计时技术，计时码表也得到长足发展，但其在比赛计时的原理并没有改变——从运动员出发开始计时，到冲过终点时停止计时。

    也许很难想象，1928年阿姆斯特丹奥运会上，计时员还得自备计时表。当时，所有比赛的时间只能精确到接近五分之一秒，而大会也仅能提供田径运动冠军的官方记录时间。现场观众，有时甚至裁判员都只能通过目测来判断比赛的结果。1932年洛杉矶奥运会上，情况有了改变。欧米茄成为第一家担任奥运会指定计时的公司，所提供的30只1130号机芯计时表可保证精度接近十分之一秒的准确计时。

    随着电子技术的发展，在奥运会中，全自动计时装置逐步取代了计时员的工作。全自动计时装置通过与发令枪等相连，自动开始比赛计时，并利用摄像技术精确地记录比赛成绩，使得一项项世界纪录变得更为可靠。

    在1992年阿尔贝维尔冬季奥运会上，又是欧米茄首次在四场短道速度滑冰赛使用了光感摄影机（Scan-OVision）。在传统的胶卷摄影机中，计时和快门是两个独立运行的机构，因此对运动员成绩的精确计时帮助不大，而新系统将计时和快门合并于一台集成电路摄影机，利用线性垂直记录技术和集成开关电路，拍摄下选手到终点的准确时间。数码技术的应用，不但使光感摄影机将运动员的比赛成绩精确到千分之一秒，而且可以使公众在第一时间通过电子记分板观看现场冲线的成绩。

    除了终点的锁定，起跑的严控也很有意思。在起跑器上安装了一个与发令枪联动的传感装置，当压力达到给定数值（男子29千克，女子27千克）时便会被触发，并自动显示出运动员起跑反应的时间。1988年汉城奥运会上，德国十项全能选手海格森虽荣为前世界记录保持者，却因连续3次抢跑千分之一秒而失去卫冕机会。

    对游泳比赛来说，夺冠不是看谁身体先过线，而是手指最先触碰壁板。泳池的金银之争也就百分之几秒的区分，传统计时根本无法胜任。1968年墨西哥奥运会上，终点电子触摸屏首次启用，这是一块90厘米高、2.4米宽的平板，三分之二浸没在水中，能够灵敏地感受运动员手指的轻微触碰，却对波浪的拍击不作反应，自此，游泳计时被精确到千分之一秒。游泳池的出发台和田径赛的起跑器一样装有压力传感器，以防运动员入水犯规。1991年澳大利亚世界游泳锦标赛上，计时系统无情显示美国女子接力运动员抢先百分之一秒入水，使正在拥抱欢呼胜利的姑娘转瞬痛哭。

    如今，奥运会中自行车、赛艇、马术等项目，计时精度都达到了千分之一秒，帆船比赛中的计时甚至装备了全球卫星定位系统（GPS）。

    如果说计时技术让每一项比赛的成绩更为可靠，那么电子记分板则在让现场观众更快地知道比赛结果的同时，也记录着奥运会上每一项突破性的成绩。在偌大的体育场里，坐在后排的观众，如果不是借助巨大的记分板以及大屏幕的显示，是很难知悉比赛结果的，这样也就失去了现场观赛的意义。而大屏幕之于奥运赛场，正是显示器技术不断改进和完善的体现。近年来大屏幕技术发展迅速，除了应用等离子、液晶技术外，发光二极管（LED）有异军突起之势。北京奥运会上，各大场馆都装备了LED大屏幕，从电视转播可以看到鲨鱼皮泳衣的结构，V字型可以减少游泳时水流带来的阻力，现场大屏幕很快显示出运动员的比赛成绩，通过高清电视转播技术，场外观众也能感受到场内热烈的气氛。

    新设计的优势

    运动员离不开运动服、运动鞋（游泳、跳水等项目除外），如今运动服（鞋）的材料和设计都十分重视科技的运用。不同的项目对运动衣（鞋）的要求差异很大，如篮球和排球的运动衣有区别（尤其是短裤），前者肥大宽松，后者短小紧身；篮球鞋和足球鞋截然不同，前者带气垫吸盘，后者则有鞋钉。

    以往田径选手比较偏爱传统分离式的运动背心和短裤，但这样的款式有一些不太合理的地方，在运动员跑的时候，运动服会在身后迎风鼓起，形成一定的阻力，针对这个问题，科研人员采用了“无缝拼接技术”设计，北京奥运会上就有田径运动员身着这种新式战衣亮相。新战衣运用网层系统来增加透气性，在运动背心的上肩周围没有任何粘合、衣摆和接缝，由此可以减少摩擦；短裤的前部比较扁平，在跑的过程中可以减少风的阻力。据测试，新战衣可以减少7%的风阻，提高0.02秒的成绩。

    许多比赛项目，运动鞋之于运动员，如同良马之于好驭手。正是意识到这一技术关键，近几十年来，许多国家都重视对运动鞋的研究，以通过合理设计来满足运动员所需的减震、稳定、轻便等要求。其中涉及根据人体结构和运动项目的特点，在整个鞋底选择适宜部位采用吸热材料与弹性材料，两者绝佳的配合，既能保证消除冲击力，又能保证运动员获得足够的反弹力。

    1970年代，美国制鞋公司加大对运动鞋的研发，其中最有影响的一项发明是气垫技术。在鞋内加气囊的想法由来已久，然而很长时间没有真正满意的设计出现，因为冲击力太大，气囊很容易被挤破，鞋随之漏气。1980年，加盟耐克公司的鲁迪开发出一种聚氨酯囊，可以让气体在不同气室间互相转移，以缓和运动时的冲击力。此技术被称为“扩散式充气”。耐克公司最终研制成富有弹性、不外漏的气垫，并采用一种大分子结构的气体来充填。芝加哥公牛队的乔丹与耐克签约作为品牌代言人，乔丹穿着耐克的气垫鞋有超凡表现，给无数观众留下深刻的印象。

    “中国飞人”刘翔，其参战奥运的战靴备受关注。自2002年耐克与刘翔合作以来，耐克为刘翔专门成立了一个研究小组，多次与刘翔沟通，针对他的脚型设计，并经试穿改进。刘翔的新战靴，鞋底为五钉，鞋面厚度不到2微米，只靠纤细的纤维支撑。耐克宣称，这双运动鞋是有史以来最轻质、最牢固的运动鞋，为刘翔一人专用。

    无独有偶。世界百米飞人盖伊、鲍威尔也都有专用跑鞋。在8月14日赛前的新闻发布会上，鲍威尔亮出了耐克为他“量脚定做”的战靴，这款名叫Aerofly的战靴，重量仅186克。

    足球鞋倒是无需一人专用，其设计另有讲究。传统的足球鞋普遍采用金属钉垫，并将鞋钉通过螺丝拧紧，鞋底嵌的鞋钉虽能提供运动员一个向前的动力，但因鞋钉易陷入土里，运动员急速变换方向时常因鞋钉不适而造成膝部与脚腕受伤，而且也难以提供侧向的动力。而今设计的足球鞋以突脊取代鞋钉，鞋底用橡胶材料，而且前鞋底有数条倾斜性突脊，后鞋底有一个十字架形突脊。倾斜性突脊有助于运动员在助跑时灵活地控制方向，十字架形突脊有助于保持运动员跑动时的稳定。

    许多体育器械都重视设计。自行车、射击步枪等器械，远非普通民用品可比，技术含量甚高。

    不妨对形状看似简单的网球拍作些了解。早期的网球拍由工匠用白蜡木制成，利用传统的蒸汽法使球拍框弯曲成形。随着科技的进步，开始用复合木材制作，以弥补单一材料的缺陷。1975年，普林斯公司设计出新式网球拍，并申请专利，这种球拍的头部较大，由铝合金型材制成，比起木拍子来要坚固也更轻便。这种拍子可以做大很多，因而形成的“最佳击球点”面积也较大，但又不会造成重量或硬度方面的牺牲。新球拍的出现引起网球界的轩然大波，最后迫使国际网球协会（ITF）不得不在1979年修改比赛规则。20世纪末，碳纤维网球拍已成为主流。现代球拍与早期的木质球拍比，拍头要大40%，坚固程度约为原来的300%，但却轻30%左右。

    新训练的科学

    在奥运“更快、更高、更强”的理念中，也凝聚了运动医学和运动心理学等科学知识的成果。

    许多运动都要求从孩童时期开始培养，不仅要看孩子是否具有某种运动的天赋，还重在看他们的身体条件是否符合培养的要求。以往仅凭经验选拔运动员有很大的盲目性，而今科研人员结合分子遗传学的理论和技术成果，在对运动员苗子的选拔上已取得突破性进展。以中长跑等需要耐力的运动为例，优秀的运动员拥有较常人更多的红肌纤维。而在短跑和举重等需要爆发力的运动中，优秀的选手往往具有更多的白肌纤维。红肌纤维的有氧代谢能力比白肌纤维强，因为红肌纤维有氧氧化酶系统活性高，毛细血管的数量、线粒体的大小和体积、肌红蛋白的含量等均大于白肌纤维，能使人维持长时间工作不易疲劳，所以红肌适合于强度小、工作时间长的耐力性运动项目。而白肌纤维和红肌纤维的数量很大程度上是由遗传来决定，这也就是为什么在奥运会的耐力项目5000米、10000米的比赛中，来自非洲的运动员常常能取得骄人的成绩。

    除了肌肉纤维类型可以用来预测身体素质外，遗传学还为选拔运动员提供了其他许多可靠的依据。从选用足长、头围等形态指标预测身高，从体型到运动项目特点，从最大耗氧量等机能指标与期望身体素质的关系，以及从皮纹、血型甚至额部发际参差状况与确定人体运动能力、适宜运动项目之间的关系等都已被运用到运动员的前期选拔中。

    北京奥运会上，中国举重运动员连创佳绩，说来都与选苗子分不开。69公斤级金牌得主廖辉的经历颇有戏剧性。廖辉出生于著名的体操之乡湖北仙桃，他小时候梦想成为一名体操运动员，7岁去体校报名时当即被体操教练拒绝，而后不久却被举重教练一眼看中。

    天素质明显可以提高成为一位优秀运动员的概率，但是营养条件和运动训练等后天因素同样起着至关重要的作用。实际上，在奥运会中不乏先天不足，而靠后天锻炼取得优异成绩的例子。

    在1960年罗马奥运会上，来自美国的鲁道夫一口气夺得了女子100米、200米和4×100米接力3枚金牌，震惊了全世界，被人们称为“黑羚羊”。而人们无法想象的是，在幼年时期，鲁道夫曾两次患肺炎，并因感染猩红热而差点丧命，4岁时又患上了小儿麻痹症，行走必须靠支架来支撑。但在现代医学的指导下，她经过7年的艰苦努力，通过康复训练和家人的按摩已经恢复到可以不需要支撑物站立了。在科学训练的指导下，鲁道夫创造了一个又一个的奇迹。同样，1900年巴黎奥运会上一人拿到立定跳远、立定跳高和立定三级跳远三枚金牌的尤里和1920年安特卫普奥运会上一人夺得100米、300米自由泳和4×100米自由泳接力三项冠军的布莱布特雷都曾在各自的童年时期患过小儿麻痹症，他们创造的奇迹让我们对奥运精神的领会得到了升华，同时也让我们感叹科学训练的巨大成功。

    皮划艇是奥运会中的奖牌大户，共设有16枚金牌。这项运动对运动员身体有着特殊要求，除了几乎相同的身高外，运动员必须通过肌电测试后，才能合理地安排训练和比赛中的队员搭配。肌电图能够有效地检测肌肉活动水平，观测运动疲劳的发生和发展过程，并且可通过肌电图的数据计算出运动员的疲劳阈，据此教练员可针对运动员提供相应的训练。在皮划艇的训练中，运动员大多时间是依靠工具进行陆地训练，而卧推和卧拉练习同样是根据运动过程的肌电分析，观测不同肌肉群的做功比率，对动作进行规范和改进。

    除力量练习外，还需要运动员进行身体柔韧性和协调性的训练。实际上，中国皮划艇队已经与中国杂技团签订合作协议，杂技团的教练曾多次应邀到皮划艇队指导运动员训练，还为后者制定了针对协调性和柔韧性的训练方案；皮划艇队的队员也曾赴杂技团学习取经。这些训练方法的有效性已在比赛中得到了证实：2008年，中国队在奥运会大洋洲资格赛上取得1金1银1铜的成绩，胡明海和舒俊榕战胜奥运会冠军夺得男子双人划艇冠军更是历史性的突破。

    运动医学和心理学等科学技术的发展，现已服务于体育的各个环节，从为挑选“好苗子”提供了可靠的依据，到科学合理的训练方法，以及大赛前的心理调整。一个个奇迹的创造不单是运动员自身的能力，也是现代科学技术完美应用的体现。