體育器材中先進(jìn)材料的使用對(duì)競(jìng)技體育發(fā)展的影響初探

劉軍

（威海經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)新都中學(xué) 山東 威海 264200）

前言

通過(guò)在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用機(jī)械理論，運(yùn)動(dòng)器材開(kāi)始更加貼合人體組織和人體骨骼的設(shè)計(jì)，為了確保運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的安全，確保運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)得到穩(wěn)步提升，我們需要設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際要求的運(yùn)動(dòng)器材，運(yùn)動(dòng)器材的設(shè)計(jì)涉及到許多領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，因此，運(yùn)動(dòng)器材在設(shè)計(jì)時(shí)，不僅僅需要考慮運(yùn)動(dòng)器材所使用的材料功能效果，還需要考慮運(yùn)動(dòng)器材在使用過(guò)程中的安全系數(shù)。下面，作者主要分析了先進(jìn)材料在體育器材中的應(yīng)用及其對(duì)競(jìng)技體育發(fā)展的影響。

1、體育器材設(shè)計(jì)

目前，世界上最好的運(yùn)動(dòng)器材都與科學(xué)密切相關(guān)。只有科學(xué)技術(shù)的發(fā)展才能帶來(lái)高科技運(yùn)動(dòng)器材的快速發(fā)展。添加了科技的設(shè)備部件得到了很大的改進(jìn)，在設(shè)備本身的先進(jìn)性、避障性和舒適性方面都有了很大的提高。這些學(xué)科包括材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)科學(xué)、機(jī)械工程、力學(xué)、生物學(xué)等。生命物理學(xué)可以簡(jiǎn)單地定義為一門(mén)關(guān)于人體如何對(duì)內(nèi)外力作出反應(yīng)的學(xué)科。因此，它是一種試圖對(duì)關(guān)節(jié)、韌帶和身體組織施加負(fù)荷的機(jī)械機(jī)制和原理。在運(yùn)動(dòng)器材的設(shè)計(jì)中要考慮材料本身的許多功能，如，強(qiáng)度、韌性、密度、抗疲勞性、韌性、抗沖擊性和成本。為了滿足運(yùn)動(dòng)器材的要求，材料的選擇往往由幾種材料組成——金屬、陶瓷、混合感恩和混合材料。使用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和材料制造所有必要的設(shè)備以滿足要求。不同的材料可以通過(guò)其不同的特性完全組合(例如，考慮軌道密度的材料)。所以，如果我們想要盡可能高的硬度，但重量很輕，我們選擇高強(qiáng)度和低重量的材料，如果實(shí)驗(yàn)通過(guò)，密度比較在硬質(zhì)材料上，需要低密度螺旋材料在這方面優(yōu)于其他材料。在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)中往往需要設(shè)定一個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、先進(jìn)材料使用原則

一是堅(jiān)持安全性原則。運(yùn)動(dòng)器材制造前，在選擇制造材料時(shí)，安全是我們首要考慮的一個(gè)問(wèn)題，我們?cè)谶x擇運(yùn)動(dòng)器材的制造材料時(shí)，需要首先對(duì)運(yùn)動(dòng)人員的年齡范圍和身體特點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合我們分析的情況選擇更加適合運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)材料，在運(yùn)動(dòng)人員運(yùn)動(dòng)前，我們需要對(duì)運(yùn)動(dòng)人員開(kāi)展全面細(xì)致的安全教育；二是科學(xué)性原則。體育材料是否使用先進(jìn)材料對(duì)于運(yùn)動(dòng)員有較好的鼓勵(lì)作用，在運(yùn)動(dòng)器材中使用先進(jìn)材料可以更好地調(diào)動(dòng)運(yùn)動(dòng)人員的運(yùn)動(dòng)積極和主動(dòng)性，因此，科學(xué)性原則也是運(yùn)動(dòng)器材選擇時(shí)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)問(wèn)題。首先，運(yùn)動(dòng)器材制作時(shí)需要符合運(yùn)動(dòng)人員的年齡和機(jī)體特點(diǎn)；其次，運(yùn)動(dòng)器材的材料在選擇時(shí)需要依據(jù)運(yùn)動(dòng)類(lèi)型和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地情況進(jìn)行判斷；三是需要堅(jiān)持環(huán)保原則。我們?cè)谶x擇運(yùn)動(dòng)器材的先進(jìn)材料時(shí)，盡可能選擇廢棄物回收的原料，這部分原料是對(duì)資源的再利用，有助于保護(hù)環(huán)境，但是我們需要注意，如果我們?cè)诶枚卫玫捏w育材料時(shí)不能確保科學(xué)合理，那么在使用完成后我們需要對(duì)材料進(jìn)行分類(lèi)處理，不能將未使用的材料隨意丟棄，對(duì)環(huán)境造成二次污染；四是多用性。體育器材中多用性的原則意思是選擇的先進(jìn)材料需要具有制作多種體育器材的作用，需要在多項(xiàng)體育活動(dòng)中得到應(yīng)用。

3、現(xiàn)今材料分類(lèi)

3.1、碳纖維復(fù)合材料

碳纖維材料相對(duì)于其他材料來(lái)說(shuō)力學(xué)效果比較優(yōu)秀，一般來(lái)說(shuō)碳纖維密度也比較小，但是抗壓強(qiáng)度又會(huì)遠(yuǎn)高于密度更高的運(yùn)動(dòng)材料，因此碳纖維復(fù)合材料可以更好地運(yùn)用在自行車(chē)、球拍等運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域。

3.2、石墨烯及其復(fù)合材料

石墨烯是一種由碳原子和sp2雜化軌道組成的蜂窩晶格二維六角形碳納米材料。石墨烯屬于自然資源中最薄的一種材料，石墨烯的厚度約為一個(gè)原子的厚度，但是石墨烯的強(qiáng)度也是最強(qiáng)的，石墨烯的斷裂強(qiáng)度需要比材質(zhì)最好的剛才高出200倍左右，我們將一定的酚醛樹(shù)脂加入石墨烯材料中，可以對(duì)石墨烯進(jìn)行無(wú)定形的炭化處理，無(wú)定形的石墨烯可以彌補(bǔ)以往石墨烯材料的一些缺陷，確保石墨烯材料密度更高，無(wú)定形的碳化處理進(jìn)一步對(duì)石墨烯材料的性能進(jìn)行了優(yōu)化，其抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別達(dá)到1.45 GPa和1.8%。氧化石墨烯復(fù)合材料的運(yùn)用范圍更加廣，可以運(yùn)用在運(yùn)動(dòng)頭盔、羽毛球等運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，石墨烯材料可以為運(yùn)動(dòng)人員提供更加優(yōu)良的防護(hù)性能，可以讓運(yùn)動(dòng)人員在使用過(guò)程中減少能量的損失。

3.3、納米材料

納米材料是小于100nm的材料的總稱，上世紀(jì)80年代開(kāi)始有納米材料的概念，納米材料表面效應(yīng)優(yōu)越，納米材料不管是在光性能、電性能、磁性能、熱性能、力學(xué)性能還是在機(jī)械性能方面都有普通材料無(wú)可比擬的優(yōu)越性，將運(yùn)動(dòng)器材應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)加工領(lǐng)域，可以根據(jù)材料性質(zhì)對(duì)納米材料進(jìn)行應(yīng)用。

3.4、其他材料

除上述材料外，在運(yùn)動(dòng)器材領(lǐng)域加工較多的新材料有生物工程塑料、芳綸纖維、體育發(fā)泡材料、紡織復(fù)合材料、牛頓流體材料等。上述材料除了材料強(qiáng)度高、耐磨性能優(yōu)越、抗老能力比較強(qiáng)之外，相比于一般的織物來(lái)說(shuō)，抗壓能力會(huì)比較強(qiáng)。一般來(lái)說(shuō)，在滑冰、冰球等冰上運(yùn)動(dòng)中，運(yùn)動(dòng)員的服裝需要具備更加防刺、減震的功能，這樣可以降低運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到運(yùn)動(dòng)事故傷害的風(fēng)險(xiǎn)，生物工程塑料相對(duì)來(lái)說(shuō)機(jī)械性能更優(yōu)，透氣性更強(qiáng)，我們對(duì)生物工程塑料進(jìn)行進(jìn)一步改良優(yōu)化后，可以將生物工程塑料應(yīng)用在防護(hù)用具、衣服等運(yùn)動(dòng)器材中，生物工程塑料制作的運(yùn)動(dòng)器材具備強(qiáng)度優(yōu)越、自重輕和抗壓能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。體育器材用的各種類(lèi)型粘彈性發(fā)泡材料，具有減震、隔音、吸聲、隔熱、保溫、阻尼、密封和阻燃等特性。 現(xiàn)主要產(chǎn)品為 NBR/PVC、EPDM、CR、LC、PU、PE、PVC、XPE、IXPE等各類(lèi)系列化發(fā)泡粘接件、橡塑類(lèi)保溫管、橡塑類(lèi)保溫板、PE類(lèi)保溫管、棉氈類(lèi)隔聲材料等。

4、先進(jìn)材料在競(jìng)技體育器材中的應(yīng)用

4.1、自行車(chē)中先進(jìn)材料的使用及其對(duì)競(jìng)技體育發(fā)展的影響

自行車(chē)屬于相對(duì)來(lái)說(shuō)比較高效的一類(lèi)運(yùn)動(dòng)設(shè)備，自行車(chē)的發(fā)展主要體現(xiàn)在自行車(chē)的車(chē)輪和車(chē)架上，自行車(chē)可以看成是一種菱形結(jié)構(gòu)的變形空間，我們?cè)谶x擇自行車(chē)的骨架材料時(shí)，需要充分考慮材料的強(qiáng)度情況，而不是將成本作為第一考慮要素，碳填料是最理想的材料。如果我們將成本作為首要考慮要素的話，那么鋼材是最適合應(yīng)用的。在強(qiáng)化碳纖維復(fù)合支架的同時(shí)，也在制造混合支架，比如專(zhuān)注于鈦和碳纖維混合材料的復(fù)合應(yīng)用。根據(jù)山地自行車(chē)的穩(wěn)定性要求，研制出了增強(qiáng)玻璃釬焊維尼綸盤(pán)式車(chē)輪。對(duì)于盤(pán)式車(chē)輪，用碳纖維或鋁合金代替輻條。五輻或三輻車(chē)輪也制造，以提供優(yōu)秀的側(cè)面空氣動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性。例如，多年來(lái)環(huán)法自行車(chē)賽車(chē)手的平均速度證明，在自行車(chē)上使用碳纖維可以顯著提高性能。

4.2、網(wǎng)球球拍中先進(jìn)材料的使用及其對(duì)競(jìng)技體育發(fā)展的影響

大約30年前，網(wǎng)球是一項(xiàng)非常流行的運(yùn)動(dòng)，它使用的是木制球拍。在更高的水平和水平，球員使用的球拍由加蓬橄欖木和木材。在20世紀(jì)60年代，球拍的主要材料是混合球拍，隨著鋁或鋼金屬框架的逐漸應(yīng)用，不僅能提高球的速度，還能減少危險(xiǎn)的振動(dòng)。如今，網(wǎng)球拍主要應(yīng)用鈦、鎂、鋼、鋁等多種材料制成。然而，基于傳遞給球的更大的力，由于碳纖維混合物的高硬度比金屬材料更硬，在擊球時(shí)會(huì)出現(xiàn)頻率更高的振動(dòng)情況，為了最大限度減少振幅，我們需要對(duì)網(wǎng)球的球柄進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，可以從球柄的使用材料著手。完美的球拍結(jié)構(gòu)通常是一套聚氨酯泡沫(注射)，手柄由多層增強(qiáng)纖維組成的軟芯組成。此外，球拍受到FR纖維的更大的顫振減振效果，所以它發(fā)展了一個(gè)非常強(qiáng)的剛度。石墨提供所需的硬度和強(qiáng)度,以避免扭力的球拍頭外的“甜蜜點(diǎn)”擊中球,這球拍的偏轉(zhuǎn)頭減少,可有效減少振動(dòng)。

4.3、運(yùn)動(dòng)鞋中先進(jìn)材料的使用及其對(duì)競(jìng)技體育發(fā)展的影響

在一系列的運(yùn)動(dòng)中，具有新技術(shù)的運(yùn)動(dòng)鞋隨處可見(jiàn)，運(yùn)動(dòng)鞋不僅對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)成績(jī)和運(yùn)動(dòng)效果有決定性影響，對(duì)于運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的安全和運(yùn)動(dòng)員的機(jī)體安全也有重要影響，比如說(shuō)，在進(jìn)行田徑運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)情況會(huì)受到運(yùn)動(dòng)鞋的很大影響。對(duì)于運(yùn)動(dòng)鞋來(lái)說(shuō)，如果沒(méi)有明確對(duì)鞋釘?shù)闹亓窟M(jìn)行規(guī)定，沒(méi)有明確對(duì)鞋釘?shù)奈恢眠M(jìn)行規(guī)定，但是只明確了鞋釘?shù)闹睆健⑿數(shù)臄?shù)量、鞋釘?shù)拈L(zhǎng)度等，那么我們結(jié)合科學(xué)實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果可以知道，運(yùn)動(dòng)員每運(yùn)動(dòng)一步，運(yùn)動(dòng)員腳上所需要承受的重量會(huì)是運(yùn)動(dòng)員實(shí)際體重的3倍，加上運(yùn)動(dòng)鞋的重量也會(huì)增加運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的消耗，因此在運(yùn)動(dòng)員參加短跑比賽時(shí)，運(yùn)動(dòng)鞋鞋釘對(duì)于比賽結(jié)果的影響很大，因此我們需要對(duì)運(yùn)動(dòng)鞋鞋釘?shù)奈恢煤托螤钸M(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，此外，除了球員本身，高科技運(yùn)動(dòng)鞋往往是賽場(chǎng)上最大的亮點(diǎn)。阿迪達(dá)斯的“奇怪的指甲”極大地改變了足球鞋底的設(shè)計(jì)理念，彪馬將他們自己的電池減震技術(shù)應(yīng)用到皮雷的鞋子上，而迪亞多拉和耐克則體現(xiàn)了這一人體工程學(xué)設(shè)計(jì)理念。其中，耐克首次將變焦減震科技應(yīng)用于足球鞋，在鞋墊的前后掌心采用減震器的形式。

4.4、泳裝中先進(jìn)材料的使用及其對(duì)競(jìng)技體育發(fā)展的影響

在早些時(shí)候的一項(xiàng)分析中，荷蘭專(zhuān)家證實(shí)，如果游泳運(yùn)動(dòng)員在比賽時(shí)不穿泳衣游泳，會(huì)比穿泳衣游泳的阻力要小很多，因此我們對(duì)泳裝進(jìn)行改進(jìn)對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的意義十分重要。基于科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展，我們?yōu)榱舜_保運(yùn)動(dòng)員游泳時(shí)運(yùn)動(dòng)員周邊的水流是貼著身體流的，我們需要研究在泳衣中采用新材料，換句話說(shuō)，雖然可以穿著泳衣進(jìn)入水中，但也可以迅速排水。此外，它確保運(yùn)動(dòng)員的身體是美麗的流線型。2000年，研究人員對(duì)鯊魚(yú)皮膚的研究導(dǎo)致了快速皮膚的設(shè)計(jì)，這是一種可以完全覆蓋運(yùn)動(dòng)員的泳衣。鯊魚(yú)的皮膚有粗糙的褶皺(v形)，可以讓它有效地在身體表面流動(dòng)，從而顯著減少摩擦，讓游泳者游得更快。結(jié)合這一理論，鯊魚(yú)皮泳衣可以在游泳者后退時(shí)提供動(dòng)力，模仿人類(lèi)肌腱在接縫處的位置。同時(shí)，泳衣采用特氟龍纖維精心設(shè)計(jì)，基于對(duì)運(yùn)動(dòng)員身體的激光檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)，緊緊包裹運(yùn)動(dòng)員的腳踝和手腕。不僅如此，這款泳衣還模仿了人體皮膚，使用了彈性織物。事實(shí)證明，游泳運(yùn)動(dòng)員可以在游泳時(shí)減少3%的水阻力，使他們?cè)?/1000s內(nèi)贏得比賽。

4.5、撐桿跳撐桿中先進(jìn)材料的使用及其對(duì)競(jìng)技體育發(fā)展的影響

復(fù)合材料在經(jīng)過(guò)高溫后又加以定型，玻璃纖維材料的撐桿彈性比較強(qiáng)、承載能力比較高，使用度比較高，重量比較輕，因此復(fù)合材料成為撐桿的主要制作材料。在助跑結(jié)束時(shí)，當(dāng)斜孔插入時(shí)，運(yùn)動(dòng)員可以利用FRP桿將快速向前的能量轉(zhuǎn)化為桿的變形能量。此外，在將桿彎曲到最大程度后，運(yùn)動(dòng)員可以利用動(dòng)量將桿的變形能量向上轉(zhuǎn)移。利用這項(xiàng)技術(shù)，美國(guó)運(yùn)動(dòng)員在上個(gè)世紀(jì)60-70年代里已經(jīng)在這一領(lǐng)域取得了良好的創(chuàng)作人成績(jī)，取得了世界性的壟斷地位。上世紀(jì)80年代，歐洲地區(qū)的運(yùn)動(dòng)員逐漸在撐桿跳運(yùn)動(dòng)中取得優(yōu)勢(shì)，在撐桿跳運(yùn)動(dòng)的撐桿中選擇了性能比較優(yōu)越的纖維復(fù)合材料，因此就有了上世紀(jì)運(yùn)動(dòng)員取得撐桿跳6m高度的成績(jī)，為了在撐桿跳等極限運(yùn)動(dòng)中取得更加優(yōu)異的成績(jī)，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都很重視先進(jìn)材料的研究和使用。

4.6、體育場(chǎng)地中先進(jìn)材料的使用及其對(duì)競(jìng)技體育發(fā)展的影響

毫無(wú)疑問(wèn)，體育場(chǎng)的地面材料對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)成績(jī)也有重要影響，體育場(chǎng)的地面材料還會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)舒適性。首先，運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，肌肉因?yàn)橛昧?huì)出現(xiàn)不斷收縮的情況，此時(shí)，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的地面材料如果出現(xiàn)問(wèn)題，那么運(yùn)動(dòng)員很可能會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷，因此，競(jìng)技類(lèi)體育賽事中，地板材料的選擇首要考慮的因素就是地板材料的性能，我們需要嚴(yán)格篩選具有優(yōu)越性能的地板材料。當(dāng)下,運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的地板材料一般來(lái)說(shuō)選擇的是一種橡膠材質(zhì)的地板材料，橡膠材質(zhì)的地板材料相比以往的地板材料來(lái)說(shuō)更加柔軟、更加有彈性,這在一定程度上可以減小膝蓋的用力,對(duì)腳踝和腳的影響大大減少,從而起到保護(hù)作用。此外，這種類(lèi)型的地板具有空氣彈性和空氣彈性層，達(dá)到理想的消聲效果，使地板在體育比賽期間不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)；其次，由于體育競(jìng)技比賽時(shí)，運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是更強(qiáng)、更高、更快，因此，體育工作人員在競(jìng)技體育發(fā)展的過(guò)程中，希望體育競(jìng)技材料可以得到優(yōu)化。與以往的體育運(yùn)動(dòng)材料相比，目前體育場(chǎng)所使用的塑料軌道彈性更高，塑料軌道的主要組成成分是高分子化學(xué)材料。高分子化學(xué)材料的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)時(shí)，材料可以最大限度提高運(yùn)動(dòng)員離開(kāi)地面的高度，這樣也更利于運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)，有利于保護(hù)運(yùn)動(dòng)員的膝蓋，幫助運(yùn)動(dòng)員增加運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)，最終達(dá)到幫助運(yùn)動(dòng)員獲得更加理性比賽結(jié)果的目的。

4.7、冰雪運(yùn)動(dòng)體育器材的使用

體育運(yùn)動(dòng)的魅力，關(guān)鍵的前提就是運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中所使用的運(yùn)動(dòng)器材，而運(yùn)動(dòng)器材中，最重要的是所選用的材料，以乒乓球舉例來(lái)說(shuō)，乒乓球與其他運(yùn)動(dòng)有很大不同，乒乓球依賴運(yùn)動(dòng)器材，特殊材質(zhì)決定了運(yùn)動(dòng)的核心魅力，球類(lèi)運(yùn)動(dòng)的核心魅力源自對(duì)重力的掙脫。

5、結(jié)語(yǔ)

總而言之，近年在國(guó)家大力倡導(dǎo)全民健身的體育發(fā)展戰(zhàn)略下，各地大眾體育賽事活動(dòng)蓬勃發(fā)展，群眾參與熱情高漲。在賽事運(yùn)營(yíng)中，對(duì)體育器材要求也越來(lái)越專(zhuān)業(yè)。同時(shí)伴隨著先進(jìn)體育材料在體育運(yùn)動(dòng)中和體育器材中的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的體育活動(dòng)被改變了，體育材料中的先進(jìn)材料為體育競(jìng)技和體育賽事提供了更加優(yōu)良的服務(wù)，體育賽事和體育材料的發(fā)展屬于相互促進(jìn)的關(guān)系，值得我們深入研究，將先進(jìn)材料應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)器材中，不僅可以提高器材的性能，還可以使運(yùn)動(dòng)員取得更理想的成績(jī)。