体育竞争与先进材料 材料、能源和信息技术是现代文明的三大支柱。新材料的研发和应用已成为世界各国科技竞争的焦点。体育竞技也是各国展示综合科技能力的赛场。 1 新材料的应用 新材料在体育运动的应用主要体现在两个方面:一是直接应用,二是间接应用。间接应用是指与运动场地、裁判设备、信息显示、指挥通讯等有关的各种材料需求。直接应用是指与运动员装备,包括运动服装,运动鞋、帽,训练器材和比赛器材等有关的各种材料需求。目前应用于体育器材制造上的新材料主要有碳纤维复合材料、阿德米拉纤维、硼纤维、新型陶瓷复合材料、非晶质金属纤维单结晶质碳化硅纤维热塑性塑科树脂等这些新材料在网球拍、羽毛球拍、高尔夫球头和球杆、自行车赛车、撑杆跳高撑竿、棒球棒、钓鱼竿、冰刀、冰球棒、滑雪板、登山滑雪靴、赛艇、帆船、皮划艇、划桨、冲浪板、击剑台、拳击台、体操训练比赛台、射击射箭器材、跳高器材、各类训练比赛用球、各种场地设施等方面得到大量的应用。新材料在体育运动中的广泛使用极大的提高了场地器材的质量和性能,保证了运动员使用的安全性;特别是在近些年,随着新材料与新技术方面的显著进展,大大调动了运动员自身的潜能,促进了自身素质的不断提高,增强了战胜自我的信心,同时也对人类战胜自然,挑战自我提出更高的要求。 2 运动服装、高尔夫球场地的革新 高性能新材料的诞生,直接对体育器材设备、运动服装、运动场地等方面的革新产生了重大影响,涌现出一批新型体育器材设备、运动服装和运动场地,从而大大促进了运动成绩的提高。 2.1 运动器材的研制 在当今科技全面发展的背景下,新型材料的研发面世并应用于运动器材的研制,对运动器材的发展起着重要的推动作用。许多运动器材由于合理地选用了先进的材料,使用性能获得了质的飞跃。 2.1.1 限制了体育市场的发展 竞技体育运动中的大多数项目,必须借助器械来进行,因此器械性能的好坏对运动成绩影响颇大。使用玻璃纤维增强材料或碳纤维、石墨复合材料制造的各种球拍、撑杆和高尔夫杆等,无论在重量、强度还是吸震性等方面都有明显的优势。新材料被用于网球拍上进步很快,60年代几乎是木制球拍的天下;70年代出现了铝等轻金属或合金制成的球拍;80年代以来,经历了玻璃纤维、高强度尼龙、碳纤维、克维拉纤维(防弹衣材料)、高强度碳纤维高张力碳纤维、高粘性碳素聚合物等的应用过程。近两年以钛金属与非金属高强度材质组成的复合材料再度成为厂商推荐的热门产品。这一系列的变化,使球拍变得更轻、更硬、更耐用,也更吸收震荡和振动,最终使得网球选手的各种技术动作更加灵活自如。例如,Andy Roddick发出的Ace球可达246.2km/h,这是前人所不敢想象的。 撑杆跳高的关键器材是撑杆,它起着传递力量、积蓄能量,使运动员越过一定高度的重大作用。而撑杆的弹性性能和长度,更是运动员能力发挥的关键,因而也成了研究人员探究的中心。在撑杆跳运动中,撑杆的改进已经经历了木杆、竹竿、金属杆和玻璃纤维杆等4个阶段,它们所对应的最好成绩分别为2.29m、4.30m、4.83m和6.15m。纳米材料技术会根据撑杆跳项目的特点和竞赛规则的要求及运动员自身的特点,生产出具有个性化的撑杆,可能使该项目的世界纪录再有突破。 2.1.2 碳纤维强化了“超级自行车2号” 制约自行车速度的主要因素,来自空气的阻力。有关科学家预测,自行车在平坦光滑的道路上,当车速近50km/h,全部阻力中约90%来自空气,而空气阻力中又有2/3是骑车者本身造成的。近年来新设计的取名为“超级自行车2号”的短距离专用赛车,率先用碳纤维为材料,车架和圆盘型车轮全部采用于制造隐型飞机的石墨纤维。与采用铝合金材料的传统自行车相比,新车不仅坚硬、稳固,而且强度提高了3倍,重量仅7.2 Kg,车身宽仅2.5 cm。美国运动员在1995年泛美运动会中,使用该车刷新了1项世界纪录和3项泛美纪录。2000年悉尼奥运会美国运动员采用了被称为III型的自行车,车胎采用压力达到每英寸250p的丝织轮胎,车手穿了改良的比赛服,其缝合处是根据气流特点设计的,可以降低摩擦,比皮肤还要光滑,据说可以帮助运动员提高成绩1~3s。 2.1.3 拉歇尔经编针织物 足球起源于中国,关于足球的制作材料,唐朝人徐坚在《初学记》里记载“古用毛纠结为之,今用皮,以胞为里,嘘气闭之而蹴之典型的现代足球是采用天然的橡胶做内胆外包聚氨酯并采用多层制作以及加强衬里。2002年足球世界杯指定用球“飞火流星”全部是用人工合成材料制成,表面那层厚度仅仅3mm的合成革,其中就包括了高固化聚氨酯、透明聚氨酯涂层“以及天然橡胶总共多达10层的材料有机结合而成。这种材料由许多直径为0.1mm,大小均匀、高弹性、抗冲击力极好的微型气囊组成,这些微型气囊排列规则,密度高达每平方厘米数万个。除了微泡混合塑料,在球中部的空气球胆周围还有一层网状物,这是一层非常柔韧的加强型材料。阿迪达斯公司称之为“拉歇尔经编针织物”。运动员踢球的之后,这层网状物可以防止足球变形,从而使球在飞行过程中的运动方向不会发生改变。 2.2 新材料在运动服务上的应用 2.2.1 “低阻力”设计 竞技体育界十分重视运动服装的开发研究,因为运动服装的衣料和款式直接影响运动成绩。衣料对运动成绩,尤其对游泳的运动成绩的影响极为显著。科学研究表明,两名体型、推进力相同的选手,在100m自由泳竞赛中,如果其中一个的阻力能减低1%的线cm。因此,泳衣的选择对夺取金牌起着十分重要的作用。世界各国都在积极研究与设计“低阻力泳装”以尽可能地减小游泳者与水的摩擦。泳装的材料从毛或绢向尼龙、尼龙加聚氨酯、聚氨酯加聚酯的方向发展,使得泳装材料的伸缩性、样式、舒适程度、降低阻力等方面都不断得到改进。澳大利亚斯皮多体育用品公司与图例茨基合作于2000年3月首次推出了模仿鲨鱼皮肤构造的“快速皮肤”。“快速皮肤”采用类似鲨鱼皮肤上尖状突起的脊形结构的新型面料,其高度和宽度通过科学计算严格按照鲨鱼的结构比例制成,水流在细沟内产生小旋涡与泳装表面产生的大旋涡交互作用,帮助人类在游进过程减少阻力。同时还在面料中增加了“超级弹性”的成分,有效地减少了肌肉受到的震荡。“快速皮肤”与以往皮肤暴露较多的泳装相比,划水效果更大,速度更快,还给运动员在某些部位施加压力,以便他们在比赛中可以保持正确的技术动作。此外,紧紧包裹在二头肌和大腿的肌纤维可以减少肌肉的颤抖,从而降低疲劳程度。根据测试,“鲨鱼皮”在水中比普通泳装可减少阻力7.5%,提高成绩3%。所以在2000年悉尼奥运会上不少身着这种泳装的著名选手共14次打破游泳世界记录,正是现代高材料技术在现代竞技训练和比赛中被恰如其分地运用的最好写照之一,目前国外正在运用纳米材料生产阻力更小的游泳衣。 2.2.2 运用人物组织、针织材料制作的鞋钉 科学研究表明,运动员每迈出一步,着地脚所承受的重量是体重的3倍,因此,跑鞋对于径赛运动员来说至关重要。在田径规则中,对跑鞋上鞋钉的数量、长度、直径都有严格的规定,但对其位置和鞋的重量没有限制。根据生物力学专家测定,跑鞋重量每增加100g,运动员的体能消耗将增加1%,因此如何减轻钉鞋的重量成为各大运动鞋厂家关注的课题。1991年,美津浓公司为美国著名短跑运动员刘易斯制作了重量仅为115g的专用跑鞋,这双鞋的鞋底是用特制胶制成的,用超级的、坚固的陶瓷做的鞋钉,用三轴编织纤维制作的新式跑鞋,从而使重量减轻20g,这些先进的设计和高新材料帮助刘易斯在东京田径世锦赛上以9.86s的成绩打破世界纪录并摘取了金牌。在2000年悉尼奥运会上,美国男女飞人迈克尔·约翰逊和玛丽安·琼斯分别穿上由耐克公司科研人员耗时3年制成的“金缕鞋”与“水晶鞋”,大大提高了两人的竞技水平。此外,利用新材料和新工艺制成的新型的足球鞋、棒球鞋、篮球鞋等也在各自的比赛项目中发挥重要的作用。 2.3 新材料在体内的应用 2.3.1 弹性相模和弹性让人 在20世纪60年代以前,跑道是由煤渣混合泥沙铺垫而成。此后,人们发明了塑胶跑道,它是一种用高分子化学合成材料铺设的富有弹性的跑道,由于塑胶跑道色彩鲜艳美观,从心理学上讲,这给运动员一种舒适感,可以振奋精神,提高竞技水平。时下为大众所津津乐道的纳米技术,已经能够从实验室落实在北京2008年奥运会上。北京将为世界各国的健儿们铺就纳米跑道,比一般塑胶更符合力学特点,并具有易保养,高寿命,高韧性等特殊功能。使田径比赛成绩提高的同时减少了运动损伤的发生率。 2.3.2 有助于创新动作和减少运动损伤 体操项目的器材利用现代科学成果中的某些新材料给予改进,以增加弹性、韧性,更适宜运
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