科技之光

1996年亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)是現(xiàn)代奧運(yùn)會(huì)的百年華誕。男子百米競(jìng)賽中，金牌得主貝利以9.84秒的成績(jī)刷新世界紀(jì)錄。比起100年前雅典奧運(yùn)會(huì)的百米記錄12秒，相當(dāng)于把當(dāng)時(shí)的冠軍湯姆.伯克拉下20多米！田徑作為奧運(yùn)會(huì)的主體項(xiàng)目，百年來成績(jī)大幅度提高的原因除了技術(shù)動(dòng)作的日益合理，跑鞋、運(yùn)動(dòng)服的不斷改進(jìn)，還有一個(gè)重要的條件，那便是跑道的巨大變革。和當(dāng)年的前輩們相比，今天運(yùn)動(dòng)員的雙腳已經(jīng)踏在完全不同的地面上了。

（１）1896年雅典奧運(yùn)會(huì)賽場(chǎng)

1896年雅典奧運(yùn)會(huì)帕納辛奈科體育場(chǎng)的U形跑道為滾壓后的泥土層，無論表面平整度和軟硬均勻度都使運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)發(fā)揮受到限制（圖１）。1900年巴黎奧運(yùn)會(huì)的跑道是林場(chǎng)中的一片草地，腳下的綿軟和滑動(dòng)使這種“草上飛”很難創(chuàng)造出好成績(jī)（圖２）。1904年圣路易奧運(yùn)會(huì)的華盛頓大學(xué)體育場(chǎng)鋪設(shè)了第一個(gè)煤渣跑道，透水性和摩擦力均得到改善。此后一直到60年代，跑道材料基本沿襲了煤渣與泥沙、石灰混合的“配方”，但疏松的地面影響后蹬的反彈力，而且一場(chǎng)激烈比賽后，跑道往往被踐踏得千瘡百孔、如同犁過的田壟。最不堪遇到雨天，運(yùn)動(dòng)員簡(jiǎn)直成了“玩泥巴的孩子”。平整和維護(hù)跑道歷來是體育場(chǎng)管理工作的沉重勞動(dòng)（圖３）。

（２）1900年巴黎奧運(yùn)會(huì)在草地上賽跑

（３）1948年倫敦奧運(yùn)會(huì)田徑跑道

人類的百米成績(jī)第一次跑進(jìn)10秒，是在1968年墨西哥奧運(yùn)會(huì)上。固然高原空氣的稀薄有利于提高成績(jī)，但吉姆.海因斯創(chuàng)造出9.95秒世界紀(jì)錄的最重要原因，卻是大學(xué)城綜合體育場(chǎng)首次鋪設(shè)的塑膠跑道。從此奧運(yùn)田徑史發(fā)生了“改天換地”的變化。塑膠跑道也稱“塔當(dāng)”跑道，由聚氨酯材料制成。1937年德國(guó)化學(xué)家拜爾（圖４）發(fā)現(xiàn)異氰酸酯與氫的聚合反應(yīng)，從此將聚氨酯引進(jìn)了現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)。這種合成材料的許多性能優(yōu)于天然橡膠和塑料，無論強(qiáng)力、硬度、彈性的可調(diào)范圍都更寬泛，一時(shí)成為建筑界的新寵。1961年，美國(guó)明尼蘇達(dá)的3M公司鋪設(shè)了第一條200米聚氨酯跑道，不過那是為賽馬使用的。1963年聚氨酯跑道開始用于田徑比賽并立刻引起各國(guó)重視，國(guó)際奧委會(huì)很快正式承認(rèn)了這一“新生事物”，墨西哥奧運(yùn)會(huì)之后，塑膠跑道便成為國(guó)際田徑比賽必備的基本設(shè)施了（圖５）。

（４）德國(guó)化學(xué)家拜爾

（５）塑膠跑道結(jié)構(gòu)和正貼膠海綿乒乓球拍相似

塑膠跑道的厚度約13厘米，結(jié)構(gòu)很像一塊正膠海綿乒乓球拍。跑道平坦堅(jiān)實(shí)的地基如同乒乓球拍的底版，中間的塑膠層如同海綿，表面的摩擦層則相當(dāng)于乒乓球拍上的膠粒。運(yùn)動(dòng)員奔跑在這種大面積的“海綿拍”上，腳步落地時(shí)能有效減少震蕩，向后蹬伸時(shí)能獲得地面形變勢(shì)能所回授的推力，因此大大增加了奔跑的效率。跑道表面的堅(jiān)牢、平坦、均勻也有利于定型化技術(shù)動(dòng)作的充分發(fā)揮，這便是除了短跑、跨欄、中長(zhǎng)跑外，所有和助跑有關(guān)的項(xiàng)目如跳高、跳遠(yuǎn)、標(biāo)槍等成績(jī)?nèi)家蛩苣z跑道的問世而“水漲船高”的原因。此外，塑膠跑道不論冬夏和晴雨都“本性不改”的全天候優(yōu)勢(shì)，耐磨、耐油、耐輻射的可貴品質(zhì)，令人悅目賞心、精神振奮的鮮艷色彩，運(yùn)動(dòng)員不慎摔倒后的安全程度，都是任何其他跑道所不能比擬的。今天塑膠跑道的生產(chǎn)和鋪設(shè)技術(shù)不斷改進(jìn)，全塑型、混合型、顆粒型、卷材型百花齊放、爭(zhēng)榮并茂，已經(jīng)從大型體育場(chǎng)館一直鋪設(shè)到了小學(xué)校的操場(chǎng)。

（６）田壇巨星歐文斯從自己挖掘的“起跑穴”起跑

田壇巨星歐文斯在1936年柏林奧運(yùn)會(huì)百米賽中創(chuàng)造10.3秒的世界紀(jì)錄時(shí)，是從自己挖掘的“起跑穴”里騰躍而出的（圖６）。當(dāng)年的運(yùn)動(dòng)員比賽前人手一把鐵鏟，在起跑處的煤渣地上匆忙挖好兩個(gè)坑，以便安頓自己的雙腳，于是“挖坑水平”也成了田徑技術(shù)的組成部分?！捌鹋苎ā辈粌H形貌參差，而且腳掌塞進(jìn)坑里后處于地平面以下，起跑時(shí)很容易刮住腳尖影響成績(jī)。1927年美國(guó)教練布雷斯納漢發(fā)明起跑器，直到1937年才被國(guó)際田聯(lián)認(rèn)可。今天的起跑器不但牢固舒適，而且便于調(diào)節(jié)距離和角度，運(yùn)動(dòng)員“蹲踞”其上，身體如同蓄勢(shì)待發(fā)的壓縮彈簧，能在最短時(shí)間里擺脫靜止?fàn)顟B(tài)獲得最大初速度。起跑器上和發(fā)令槍聯(lián)動(dòng)的傳感裝置計(jì)時(shí)精度達(dá)到了千分之一秒。

打從1920年安特衛(wèi)普奧運(yùn)會(huì)使用第一個(gè)周長(zhǎng)為400米的跑道后，這種兩頭圓，中間直的“曲別針”模式便延續(xù)下來。運(yùn)動(dòng)員在直道上奔跑時(shí)，由于方向不變，每次蹬腿所用的力都對(duì)原來速度有疊加效果，能達(dá)到自身速度的最大值，身體也只須向前方傾斜。彎道上奔跑的軌跡是一個(gè)圓弧，速度的方向在不斷變化，事實(shí)上，身體每次騰空后都會(huì)沿切線方向飛出，擺動(dòng)腿落地后才能再度改變方向，這種由許多“線段”連成的“弧”頗似一條“割圓”的折線。向心加速度的產(chǎn)生必須有向心力的作用，運(yùn)動(dòng)員跑彎道的向心力來自身體內(nèi)傾時(shí)所受重力與支撐力的合力，它和速度的方向垂直并指向圓心，維持著和慣性離心力的動(dòng)態(tài)平衡。向心力與速度的平方成正比，與圓弧的曲率半徑成反比，因此跑得越快，拐得越急，身體傾斜角度就越大，也越會(huì)影響奔跑速度的發(fā)揮。首屆雅典奧運(yùn)會(huì)細(xì)長(zhǎng)的U形跑道就因?yàn)榍€太陡而不利于競(jìng)賽。需要了解的是，身體在彎道上的內(nèi)傾是指整個(gè)身體軸線的角度，而并不能靠著上體向內(nèi)歪扭。今天標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)形跑道修建時(shí)要求有向內(nèi)千分之一的傾斜度，先進(jìn)的室內(nèi)田徑場(chǎng)還出現(xiàn)液壓裝置調(diào)節(jié)彎道的坡度，都是為了更好適應(yīng)跑彎道時(shí)身體的姿態(tài)（圖７）。

（７）圖組:運(yùn)動(dòng)員跑彎道時(shí)身體內(nèi)傾

百年間，各國(guó)專家做過多種試驗(yàn)和比較，創(chuàng)造出藍(lán)曲式、三圓心式，尖圓式等跑道，目前國(guó)際上公認(rèn)半圓式為最好，標(biāo)準(zhǔn)的400米跑道有3種規(guī)格，內(nèi)突沿半徑分別為36米、36.5米和37.898米。半徑小的跑道曲率大，但直道部分所占的比例也大，可謂“失之東隅，收之桑榆”了。彎道上起跑時(shí)，起跑器都安裝在跑道右側(cè)，中心位置正對(duì)彎道切點(diǎn)方向，便是為了給運(yùn)動(dòng)員提供起跑后的最大直線距離。

2004年雅典奧運(yùn)會(huì)女子4×100米接力賽中，實(shí)力強(qiáng)大的美國(guó)隊(duì)因跑第三棒的威廉姆斯起跑過快,使第二棒瓊斯追趕不上而傳棒失敗。接力賽是短跑中必須靠集體力量和團(tuán)隊(duì)精神取勝的項(xiàng)目，具有極高的技術(shù)含量。

兩輛并行的汽車如果速度相同，上面乘坐的人便能夠輕易的互相傳遞東西，每秒10多公里運(yùn)行的宇宙飛行器只要彼此相對(duì)速度為零就可以在太空對(duì)接，田徑場(chǎng)上接力賽的每條跑道上都劃出了20米的接力區(qū)，前面還有5米的預(yù)跑區(qū)，接力賽的基本要領(lǐng)應(yīng)該是，傳棒運(yùn)動(dòng)員跑速不下降而接棒運(yùn)動(dòng)員已經(jīng)接近發(fā)揮出最高速度時(shí)，兩人在接力區(qū)內(nèi)迅速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)地完成傳接動(dòng)作。這就要求接棒運(yùn)動(dòng)員參照標(biāo)志線不失時(shí)機(jī)地起跑，當(dāng)雙方距離逐漸縮短，彼此都處于最高速度又達(dá)到同步速度的瞬間“一蹴而就”。此時(shí)兩位運(yùn)動(dòng)員前后應(yīng)相距大約1.5米，靠著身高臂長(zhǎng)與配合默契贏得1.5至2米的“獲益距離”，所謂“獲益距離”指的是傳接棒動(dòng)作時(shí)身體重心相隔的最大水平距離，3個(gè)接力區(qū)累計(jì)起來相當(dāng)于整個(gè)團(tuán)隊(duì)少跑5至6米，這對(duì)于百分之一秒決勝負(fù)的世界級(jí)大賽，其意義不言自明。

一個(gè)讓人們熟視無睹卻又難以回答的現(xiàn)象是，為什么我們?cè)谔飶綀?chǎng)上總是沿著逆時(shí)針方向跑？誠(chéng)然這是國(guó)際田聯(lián)做出的規(guī)定，但事實(shí)證明逆時(shí)針跑確實(shí)更加自然并且成績(jī)勝過順時(shí)針跑。有人說因?yàn)槿说男呐K靠左，有人說因?yàn)橛彝缺茸笸雀純?yōu)勢(shì)，還有人認(rèn)為我們的觀看和閱讀習(xí)慣是從左到右，甚至有人拿宏觀尺度上地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科里奧利力來解釋，顯然都牽強(qiáng)附會(huì)不能令人信服。且不說滑冰、自行車和納斯卡汽車賽，就說日常生活中游藝場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)木馬和賓館的旋轉(zhuǎn)門，乃至農(nóng)村推碾拉磨，家里打撲克搓麻將也不約而同按逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，而在使用卷筆刀和打蛋器時(shí)卻又習(xí)慣于順時(shí)針方向。我們不禁陷入遼闊的遐想，從氨基酸的“手性”到牽?；ǖ纳L(zhǎng)，從龍卷風(fēng)的發(fā)生到行星的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)是大自然萬事萬物基本的運(yùn)動(dòng)方式，至于運(yùn)動(dòng)員為什么按逆時(shí)針方向奔跑，我們只能老老實(shí)實(shí)回答不知道，高傲的現(xiàn)代科學(xué)也許為回答不了如此簡(jiǎn)單的問題而尷尬，但“強(qiáng)作解人”并非科學(xué)的態(tài)度。也許這一現(xiàn)象根本沒有什么道理，也許畢竟應(yīng)該有點(diǎn)道理，也許真正原因深藏在我們進(jìn)化的歷史中？看來這個(gè)問題只能“立此存照”并有待繼續(xù)思考和探究了。