體育場館拾零

2005年6月14，雅典國際田聯(lián)超級大獎(jiǎng)賽傳來捷報(bào):牙買加短跑名將鮑威爾以9秒77的成績打破了男子百米世界紀(jì)錄。還是這位“牙買加飛人”，2007年9月10日又在意大利城市瑞提舉行的國際田聯(lián)大賽中，以9秒74打破了自己保持的世界紀(jì)錄。接受記者采訪時(shí)鮑威爾說，“假如今天的風(fēng)速再理想些，我準(zhǔn)能跑出更好成績。”這是一句大實(shí)話。當(dāng)順風(fēng)風(fēng)速每秒2米時(shí)，百米成績能比無風(fēng)時(shí)快0.15秒。鮑威爾上次打破世界紀(jì)錄就占了每秒1.7米“順風(fēng)”的大便宜。而美國選手蓋伊2007年6月在銳步田徑大獎(jiǎng)賽中跑出9秒76的成績超過世界紀(jì)錄時(shí)，卻因?yàn)楫?dāng)時(shí)跑進(jìn)方向的風(fēng)速達(dá)到每秒2.2米，高于國際田聯(lián)規(guī)定的每秒2米上限而不被承認(rèn)。真可謂“成也順風(fēng)，敗也順風(fēng)”了。

同樣的悲歡也落在跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員頭上。1968年墨西哥奧運(yùn)會(huì)，比蒙的“世紀(jì)一跳”8米90就是在恰好每秒2米的“順風(fēng)”下“誕生”的。直到23年后的東京第三屆世界田徑錦標(biāo)賽，美國選手鮑威爾才以8米95的成績創(chuàng)造了新的跳遠(yuǎn)世界紀(jì)錄。但幾分鐘前美國名將劉易斯就跳出了8米91，更早打破了“比蒙極限”，可惜當(dāng)時(shí)的風(fēng)速為正2.90米，因此紀(jì)錄沒有被承認(rèn)。可見風(fēng)的作用對田徑比賽多么“生死攸關(guān)”。“好風(fēng)憑借力，送我上青云”，不少世界紀(jì)錄是靠著“搭順風(fēng)車”創(chuàng)造出來的。反過來，超過每秒2米的“順風(fēng)”又會(huì)將最出色的成績“一風(fēng)吹”。但無人抱怨這一規(guī)則的鐵面無情。正如西諺所說，“風(fēng)大的時(shí)候火雞也會(huì)飛。”

球類運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目對風(fēng)速甚至更加敏感。在奧運(yùn)會(huì)上，“大球”比賽風(fēng)速控制在每秒0.5米以下;“小球”比賽風(fēng)速不得超過每秒0.2米。2005年羽毛球世錦賽中，許多頂尖級好手都“望風(fēng)皆靡”，運(yùn)動(dòng)員戲稱美國阿納海姆體育館空調(diào)系統(tǒng)為“龍卷風(fēng)”。 2008年北京奧運(yùn)會(huì)新落成的羽毛球館一改大口徑送風(fēng)的傳統(tǒng)辦法，將氣流分解到觀眾坐席下的9100個(gè)通風(fēng)口，便是為了確保館內(nèi)風(fēng)速完全達(dá)到奧運(yùn)會(huì)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)（圖1）。

（1）1948年倫敦奧運(yùn)會(huì)測量風(fēng)速

如何迅速準(zhǔn)確地測定風(fēng)速，從來是競賽場上容不得半點(diǎn)含糊的大事。19世紀(jì)中期人類發(fā)明了魯濱遜風(fēng)速儀，將4個(gè)半球形的“杯”按“杯口”垂直于地面方向，順次安放在十字形水平支架外端形成“杯輪”，因?yàn)椤氨钡耐姑婧桶济嬖诳諝庵械男螤钭枇Σ町惡艽螅瑹o論風(fēng)從何方吹來，都會(huì)形成力矩差，帶來“杯輪”沿豎直軸向同一方向旋轉(zhuǎn)。由于對稱放置的“杯”容易彼此遮擋并受另一邊力矩的抵消，“杯”的線速度只能達(dá)到風(fēng)速的三分之一。1926年，加拿大人帕特遜制造了互成120度夾角的3“杯”風(fēng)速儀，使“杯輪”的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩明顯增大。另一種旋翼式風(fēng)速儀的“翼輪”沿水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如同磨坊的風(fēng)車和電扇的槳葉，具有很高的靈敏度和勻速性。此后出現(xiàn)的“熱絲”型風(fēng)速儀則完全另辟蹊徑，用電流將電阻絲加熱到環(huán)境溫度以上，由于不同速度的風(fēng)對電熱絲的冷卻作用不同，便可通過測出電壓或電流的變化來計(jì)量風(fēng)速了。

今日運(yùn)動(dòng)場上常見的超聲波風(fēng)速儀誕生于上個(gè)世紀(jì)70年代。它的基本原理是，讓成對的交換器相互發(fā)出和接受超聲波脈沖，由于空氣是聲波傳遞的介質(zhì)，氣流運(yùn)動(dòng)的速度會(huì)影響聲波傳遞的速度，因此，通過測量和計(jì)算超聲波傳遞中的時(shí)間差就可以確定風(fēng)速的大小。跳遠(yuǎn)競賽和百米競賽分別需要在跑道旁1.22米高度測量出直接影響運(yùn)動(dòng)成績的5秒和10秒平均風(fēng)速（圖2）。

（2）超聲波風(fēng)速儀

當(dāng)美國網(wǎng)壇名將羅迪克以“火箭發(fā)球”頻頻得分后，球場屏幕和電視上都會(huì)同時(shí)公布他驚人的發(fā)球速度，中國羽毛球選手付海峰一記劈殺，觀眾便能馬上直接看到這個(gè)每小時(shí)322公里的世界紀(jì)錄。對球速進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)的現(xiàn)場報(bào)告，不僅是運(yùn)動(dòng)員的一大刺激點(diǎn)和興奮點(diǎn)，也是當(dāng)今各種球類比賽的一大“賣點(diǎn)”和“看點(diǎn)”，讓觀眾“定量”了解運(yùn)動(dòng)員的能力和技巧。究竟是一個(gè)什么系統(tǒng)在完成此項(xiàng)繁難使命呢（圖3）？

（3）運(yùn)動(dòng)場上的測速儀

這便是“默默無聞”蹲在賽場后面角落里的球速測量儀。要了解它的工作原理，不妨先重溫一下我們生活中都曾有過的經(jīng)歷。當(dāng)汽車疾馳而來時(shí)嘯聲尖銳，絕塵而去時(shí)笛聲嗚咽，這種聲調(diào)的變化便是“聲源”運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。發(fā)聲體的振動(dòng)使周圍空氣產(chǎn)生疏密相間的縱波叫聲波，開來的汽車能將聲波的疏密間隔“壓”得更緊，帶來頻率增高；離去的汽車卻將聲波的疏密間隔“拉”得更開，造成頻率降低。于是我們便聽到了高低不同的聲調(diào)，這種現(xiàn)象稱為“多普勒效應(yīng)”。電磁波比聲波的傳播快將近百萬倍，但同樣會(huì)產(chǎn)生“多普勒效應(yīng)”。交通警察的“雷達(dá)槍”把一束微波射向行駛的汽車，反射回來的微波再被“雷達(dá)槍”接受，通過比較發(fā)射波和反射波頻率的不同，就能立刻計(jì)算出汽車的速度來。運(yùn)動(dòng)場上的球速測量儀和交通警察的“雷達(dá)槍”原理一樣，不過發(fā)出的微波是射向飛行的球，根據(jù)接收到回波的“多普勒頻移”計(jì)算出球的飛行速度。必需提及的是，交通警察的“雷達(dá)槍”和運(yùn)動(dòng)場上的球速測量儀都應(yīng)盡量放置在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的正前方或正后方，偏離角度越大“多普勒效應(yīng)”越弱，測量的誤差越大（圖4）。

（4）聲音傳播中的多普勒效應(yīng)

2004年美國網(wǎng)球公開賽中，小威廉姆斯在關(guān)鍵時(shí)刻的一記漂亮回球被錯(cuò)誤判罰為出界，致使對手卡普里亞蒂獲勝。盡管司線員明確表示球落在界內(nèi)而裁判阿爾維斯卻不予理睬。這一事件直接促進(jìn)了“即時(shí)回放系統(tǒng)”的亮麗登場。媒體興奮地說，如果裁判的兩只眼睛無法適應(yīng)今天的球速，就讓高科技的第三只眼睛早日睜開吧！

“即時(shí)回放系統(tǒng)”有個(gè)絕妙的別名“鷹眼”，正好出自發(fā)明者霍金斯姓氏的前4個(gè)字母。“鷹眼”能在10秒時(shí)間內(nèi)，將球在三維空間飛行的動(dòng)態(tài)軌跡和精確落點(diǎn)展現(xiàn)在大屏幕上，不僅避免了無謂的糾紛和爭執(zhí)，監(jiān)督了裁判的失察和不公，還給觀眾帶來了新的視角，增加了新的觀賞元素。2006年納斯達(dá)克100大師賽中“鷹眼”系統(tǒng)首次正式使用，運(yùn)動(dòng)員每盤有兩次機(jī)會(huì)申請“鷹眼”仲裁（圖5）。

（5）圖組：“鷹眼”即時(shí)回放系統(tǒng)

“鷹眼”為什么能如此“明察秋毫”又“面面俱到”？這是一個(gè)由10臺高速攝像機(jī)和數(shù)臺電腦以及大屏幕組成的系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)將球場上整個(gè)立方空間劃分為毫米級的測量單元。安放在不同位置和角度的高速攝像機(jī)全息捕捉網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的基本數(shù)據(jù)，再通過電腦成像技術(shù)，重建與合成網(wǎng)球飛行軌跡的三維圖像并顯示在大屏幕上。國際網(wǎng)聯(lián)表示了對“鷹眼”的高度認(rèn)同和欣然接納。網(wǎng)壇巨星阿加西說:“在我20年的職業(yè)生涯中，這項(xiàng)新技術(shù)為網(wǎng)球增添了新的維度，無論對于運(yùn)動(dòng)員、球迷和電視觀眾都是最值得興奮的事。”

讓我們把眼光離開運(yùn)動(dòng)場上那些高精尖的“前沿科技”，去觀察一下許多司空見慣的“雞毛蒜皮”，同樣會(huì)發(fā)現(xiàn)有趣的知識。當(dāng)綠茵場上的足球運(yùn)動(dòng)員被踢傷后左盤右旋疼痛難忍時(shí)，常會(huì)看到醫(yī)護(hù)人員飛奔而來，拿出一只小“噴壺”往傷痛處噴射一些霧劑，“壺”里究竟是什么“藥”呢？原來是密閉壓力下的氯乙烷。這種液體的沸點(diǎn)為攝氏13℃，噴到運(yùn)動(dòng)員皮膚上立即“沸騰”并帶走大量的汽化熱，使創(chuàng)傷處急劇降溫。冷凍能使神經(jīng)傳遞速度減緩，冷的感覺能壓倒痛的感覺起到局部麻醉作用，并能刺激血管收縮減少出血，難怪這種“冷療”常常能立奏奇效了（圖6）。

（6）運(yùn)動(dòng)場上醫(yī)護(hù)人員的秘密武器

這里還想關(guān)注一個(gè)運(yùn)動(dòng)場上被熟視無睹的“日用品”，那就是體操、舉重、投擲、攀巖都須臾不可或缺的“鎂粉”。這種白色粉末的“真實(shí)身份”是碳酸鎂，許多文獻(xiàn)和生產(chǎn)廠家都說“鎂粉”的功能是吸汗，保持手的干燥，增加和器械之間的摩擦力，以免打滑和脫杠，應(yīng)該說這是簡明扼要的介紹。然而幾乎同樣數(shù)量的文章指出，潮濕的手摩擦系數(shù)更高，例如剛洗過的腳穿進(jìn)鞋子困難;數(shù)鈔票時(shí)要在指頭上蘸水;掄大錘時(shí)往手上吐唾沫并造出了“唾手可得”的成語。而早期的鉛球運(yùn)動(dòng)員投擲時(shí)也確實(shí)往手上吐唾沫。因此認(rèn)為“鎂粉”的作用是通過吸潮減少摩擦力，以免運(yùn)動(dòng)員在“大回環(huán)”等動(dòng)作中磨破手皮。并且反問道如果“鎂粉”僅為了增加摩擦，何不把器械表面做成“砂紙”（圖7）？

（7）圖組：鎂粉改善對器械的把握

真理畢竟只有一個(gè)。實(shí)驗(yàn)表明，在平滑的玻璃上拖動(dòng)一個(gè)重物，使用“鎂粉”后摩擦力增大，但在粗澀的橡膠上拖動(dòng)同一個(gè)重物卻摩擦力減小，可見“鎂粉”到底增加還是減小摩擦力并不能一概而論。

對于“鎂粉”良好的吸濕性從來無人懷疑，但碳酸鎂吸水究竟是顆粒空隙間的吸附，還是形成了進(jìn)入碳酸鎂晶格的“結(jié)晶水”？論者又各執(zhí)一辭。最后還得請科學(xué)實(shí)驗(yàn)出來說話，X射線晶體結(jié)構(gòu)衍射測試表明，“鎂粉”對水分的吸收完全是微小顆粒周圍的吸附，這一過程中，碳酸鎂分子的晶體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化。

看來對“鎂粉”功能合理的解釋也許應(yīng)該是:當(dāng)手上的汗液形成了光滑的“水膜”時(shí)，“鎂粉”吸濕增加了手和器械表面的摩擦力而防止打滑；但手掌在器械上急劇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)“鎂粉”又能起到襯墊作用，相當(dāng)于在中間添加一層“小球”作“滾動(dòng)摩擦”。“鎂粉”同時(shí)還填平了手掌的褶皺和紋路，增加了和器械的接觸面，將握力變得更加實(shí)在和均勻。總之“搽粉”能改善手對器械的把握，讓摩擦力在合適范圍內(nèi)易于控制，使動(dòng)作更加隨心所欲和擒縱自如。

高科技讓不屑一顧的“鎂粉”尚且有諸多學(xué)問，可見運(yùn)動(dòng)場館的確是個(gè)“知識密集”的地方，只要留心觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)許多看來簡單而實(shí)際并不簡單的東西。