美媒文章:奧運金牌背後的科學

2021年07月27日16:56

原標題:美媒文章:奧運金牌背後的科學

參考消息網7月27日報導 美國《大眾機械》月刊網站7月25日發表題為《夏季奧運會的科學》的文章,文章對未來兩週將會展示的一些奧運項目進行了有趣的科學解析,全文摘編如下:

推遲了一年後,東京奧運會終於舉行了。在兩週的時間里,世界上最優秀的運動員將以不可思議的方式展示技能、勇氣、耐力和物理學。沒錯,就是物理學。

為了成為最優秀的選手,運動員會利用科學來分析他們的運動。動量被轉化為焦耳數值,跑步運動員會瞭解不同肌纖維的複雜性,皮划艇選手會巧妙地駕馭流體動力學背後的數學。下面我們對未來兩週將會展示的一些有趣科學進行解析。

像魚一樣游泳

關於游泳運動員邁克爾·菲爾普斯的超人運動能力,人們已經寫了很多文章。他是一個遺傳學奇蹟,身材像魚,手腳像船槳。這一切都是事實——如果你在自己的運動項目上沒有遺傳學方面的優勢,你就不可能在奧運會上取勝。參加2020年東京奧運會的美國隊希望超越——或至少是效仿——使菲爾普斯成為游泳奇才的那些因素。

身體:眾所周知,菲爾普斯的身體就是一個專門的游泳機器。他的臂展為6英呎7英吋(約合2米),比其身高還要長3英吋。他的軀幹和相對較短的腿——他的腿內側長度為32英吋——讓他在水中乘風破浪。

生物化學:蝶泳等游泳姿勢往往會使肌肉中的乳酸增加,從而降低運動表現。菲爾普斯的確切數字是保密的,但測試表明,他天生產生的乳酸數量遠遠少於大多數運動員。

柔韌性:一些運動要求力量,另一些運動要求柔韌性。游泳則兩者都需要。菲爾普斯靈活的肘部、膝蓋和腳踝使他能夠以很小的阻力在水中穿行。

流體力學:在200米自由泳比賽中,一名以每小時3.8英里(約合6公里)速度遊動的運動員要花費290千焦來抵抗自己的阻力。為了應對這種局面,菲爾普斯採取了一種流線型的游泳姿勢——低下頭,抬高臀部。

技巧:菲爾普斯是海豚式打腿的高手。通過推牆和甩腿,他可以遊得比傳統方式更快——比競爭對手多出半個身長。

訓練:菲爾普斯每天都訓練——在泳池里訓練4小時,在陸地上訓練1小時。由於游泳者每小時可消耗約1000卡路里的熱量,菲爾普斯的飲食中碳水化合物含量相對較高,以避免糖原損耗。

掌握時機:在2008年北京奧運會上,邁克爾·菲爾普斯與塞爾維亞選手米洛拉德·查維奇的比賽陷入了不分勝負的境地。查維奇似乎是先觸壁,但菲爾普斯率先施加6.6磅(約合3公斤)的壓力來觸動觸摸板。結果是:菲爾普斯領先查維奇0.01秒。塞爾維亞隊對這個結果有爭議。但精確到0.0001秒的重新評估證實菲爾普斯獲勝。

精確度量時間

換句話說,計時決定一切。

1896年雅典奧運會:

第一屆現代奧運會的官員們依靠指針式停表來決定獲勝者。

1912年斯德哥爾摩奧運會:

指針式停表被電子停表取代,但比賽仍然是手動計時的。誤差範圍是0.2秒——在通常的100米短跑中幾乎有2米的距離。

1932年洛杉磯奧運會:

作為奧運會官方計時器首次亮相時,歐米茄在每一項比賽中使用了30塊精密計時停表。精度為0.1秒。

1948年倫敦奧運會:

機器開始接管一切。第一台奧運會終點攝影照相機——號稱“魔眼”——徹底改變了體育計時。精度為0.001秒。

1960年羅馬奧運會:

美國游泳運動員蘭斯·拉森把金牌輸給了澳州選手約翰·德維特,原因是官員們在拉森的比賽時間上存在分歧。這是最後一屆用肉眼解決爭議的奧運會。

1968年墨西哥城奧運會:

奧運會泳池中引入了計時觸摸板。現在,游泳運動員的手指將以0.01秒的精確度讓計時器停下。

1972年慕尼黑奧運會:

瑞典游泳運動員貢納爾·拉鬆以0.002秒的優勢贏得400米混合泳金牌。幾天后,這項運動的管理機構裁定,計時將只能精確到0.01秒。

1984年洛杉磯奧運會:

美國人卡麗·斯坦塞弗和南希·霍格斯黑德在100米自由泳比賽中以55秒92的成績並列第一,成為奧運游泳史上第一對共享金牌的選手。

1996年亞特蘭大奧運會:

在海濱城市薩凡納舉行的帆船比賽引入了全球定位系統(GPS)計時,以追蹤每艘船的速度和位置。

2012年倫敦奧運會:

在徑賽和游泳項目中,為了讓人們注意到出發時的犯規情況,起跑器會監測運動員腳部施加的壓力,而不是運動員的初期動作。

馬拉松與短跑

馬拉松運動員:影響長跑的最重要因素是攝氧效率。大多數馬拉松運動員的最大攝氧量幾乎是普通人的兩倍。優秀的馬拉松運動員的肌肉很大程度上是由慢縮肌纖維組成的,這可以最大限度地利用氧氣,以保持肌肉耐力。

短跑運動員:在攝氧效率發揮影響之前,100米賽跑就結束了,所以短跑運動員的攝氧率不如快縮肌重要。短跑運動員可能有多達80%的快縮肌纖維,其收縮速度可以達到慢縮肌纖維的10倍。

克服地心引力

當體操運動員做大迴環動作時,它或許看起來只是一系列圓圈。但是在體操運動員和他們握著的柔韌的杆子之間存在著複雜的力和能量的交換。大迴環必然是既巧妙又實用的——體操運動員必須保持良好的姿勢,保持手臂伸直,控製腳尖的方向,同時積累足夠的動量來完成翻騰兩週後落地的動作。憑藉強大的力量和絕妙的時機控製,這些運動員優雅地克服了地心引力。

喝水非常重要

奧運會運動員在比賽中每天要消耗多達3加侖(約合11升)的水(相當於一般人建議攝入量的5.5倍)。僅失去2%的體液就足以導致運動成績下降。運動營養學家南希·克拉克解釋說:“當身體失去水分,血液會變稠,心臟必須更加努力才能泵血。”知道出汗率可以讓運動員恰當地補充水分,以為下一輪比賽做準備。

撐杆跳的秘密

跳高的秘訣85%在於物理學,15%在於技巧。要積累足夠多的動能以便在較短距離內將自身舉起來,運動員需要跑得快——至少每秒33英呎。當杆子撐地,它充當了彈簧,把運動員的能量——大約4000焦耳——從水平面轉換到垂直面。然後,運動員在繼續上升3至4英呎的過程中,他們會彎曲身體並推動身體重心向上和越過橫杆。

跳水的解剖學

奧運會跳水運動員的空中技巧讓人眼花繚亂,但跳板上的起跳才是成敗的關鍵。在助跑的過程中,跳水運動員會採取一些步驟來積聚動量。運動員的跳躍發生在距離跳板尖端12英吋的地方。騰跳促使跳板下陷,並積累機械力(大約5000牛頓)。隨著跳板反彈,起跳就獲得了動力。跳板以每小時12.3英里的速度將運動員向上拋,而運動員至少會達到水面以上18英呎的高度。這會使運動員獲得最多1.5秒的騰空時間,以及做動作所需的旋轉力。

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