體育場館拾零

2005年6月14，雅典國際田聯超級大獎賽傳來捷報: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大賽中，以9秒74打破了自己保持的世界紀錄。接受記者采訪時鮑威爾說，“假如今天的風速再理想些，我準能跑出更好成績。”這是一句大實話。當順風風速每秒2米時，百米成績能比無風時快0.15秒。鮑威爾上次打破世界紀錄就占了每秒1.7米“順風”的大便宜。而美國選手蓋伊2007年6月在銳步田徑大獎賽中跑出9秒76的成績超過世界紀錄時，卻因為當時跑進方向的風速達到每秒2.2米，高于國際田聯規定的每秒2米上限而不被承認。真可謂“成也順風，敗也順風”了。

同樣的悲歡也落在跳遠運動員頭上。1968年墨西哥奧運會，比蒙的“世紀一跳”8米90就是在恰好每秒2米的“順風”下“誕生”的。直到23年后的東京第三屆世界田徑錦標賽，美國選手鮑威爾才以8米95的成績創造了新的跳遠世界紀錄。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”，可惜當時的風速為正2.90米，因此紀錄沒有被承認。可見風的作用對田徑比賽多么“生死攸關”。“好風憑借力，送我上青云”，不少世界紀錄是靠著“搭順風車”創造出來的。反過來，超過每秒2米的“順風”又會將最出色的成績“一風吹”。但無人抱怨這一規則的鐵面無情。正如西諺所說，“風大的時候火雞也會飛。”

球類運動項目對風速甚至更加敏感。在奧運會上，“大球”比賽風速控制在每秒0.5米以下;“小球”比賽風速不得超過每秒0.2米。2005年羽毛球世錦賽中，許多頂尖級好手都“望風皆靡”，運動員戲稱美國阿納海姆體育館空調系統為“龍卷風”。 2008年北京奧運會新落成的羽毛球館一改大口徑送風的傳統辦法，將氣流分解到觀眾坐席下的9100個通風口，便是為了確保館內風速完全達到奧運會規定標準（圖1）。

（1）1948年倫敦奧運會測量風速

如何迅速準確地測定風速，從來是競賽場上容不得半點含糊的大事。19世紀中期人類發明了魯濱遜風速儀，將4個半球形的“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”，因為“杯”的凸面和凹面在空氣中的形狀阻力差異很大，無論風從何方吹來，都會形成力矩差，帶來“杯輪”沿豎直軸向同一方向旋轉。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”的線速度只能達到風速的三分之一。1926年，加拿大人帕特遜制造了互成120度夾角的3“杯”風速儀，使“杯輪”的持續轉動力矩明顯增大。另一種旋翼式風速儀的“翼輪”沿水平軸轉動，如同磨坊的風車和電扇的槳葉，具有很高的靈敏度和勻速性。此后出現的“熱絲”型風速儀則完全另辟蹊徑，用電流將電阻絲加熱到環境溫度以上，由于不同速度的風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量風速了。

今日運動場上常見的超聲波風速儀誕生于上個世紀70年代。它的基本原理是，讓成對的交換器相互發出和接受超聲波脈沖，由于空氣是聲波傳遞的介質，氣流運動的速度會影響聲波傳遞的速度，因此，通過測量和計算超聲波傳遞中的時間差就可以確定風速的大小。跳遠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動成績的5秒和10秒平均風速（圖2）。

（2）超聲波風速儀

當美國網壇名將羅迪克以“火箭發球”頻頻得分后，球場屏幕和電視上都會同時公布他驚人的發球速度，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每小時322公里的世界紀錄。對球速進行準確及時的現場報告，不僅是運動員的一大刺激點和興奮點，也是當今各種球類比賽的一大“賣點”和“看點”，讓觀眾“定量”了解運動員的能力和技巧。究竟是一個什么系統在完成此項繁難使命呢（圖3）？

（3）運動場上的測速儀

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歷。當汽車疾馳而來時嘯聲尖銳，絕塵而去時笛聲嗚咽，這種聲調的變化便是“聲源”運動的結果。發聲體的振動使周圍空氣產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，這種現象稱為“多普勒效應”。電磁波比聲波的傳播快將近百萬倍，但同樣會產生“多普勒效應”。交通警察的“雷達槍”把一束微波射向行駛的汽車，反射回來的微波再被“雷達槍”接受，通過比較發射波和反射波頻率的不同，就能立刻計算出汽車的速度來。運動場上的球速測量儀和交通警察的“雷達槍”原理一樣，不過發出的微波是射向飛行的球，根據接收到回波的“多普勒頻移”計算出球的飛行速度。必需提及的是，交通警察的“雷達槍”和運動場上的球速測量儀都應盡量放置在運動目標的正前方或正后方，偏離角度越大“多普勒效應”越弱，測量的誤差越大（圖4）。

（4）聲音傳播中的多普勒效應

2004年美國網球公開賽中，小威廉姆斯在關鍵時刻的一記漂亮回球被錯誤判罰為出界，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而裁判阿爾維斯卻不予理睬。這一事件直接促進了“即時回放系統”的亮麗登場。媒體興奮地說，如果裁判的兩只眼睛無法適應今天的球速，就讓高科技的第三只眼睛早日睜開吧！

“即時回放系統”有個絕妙的別名“鷹眼”，正好出自發明者霍金斯姓氏的前4個字母。“鷹眼”能在10秒時間內，將球在三維空間飛行的動態軌跡和精確落點展現在大屏幕上，不僅避免了無謂的糾紛和爭執，監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年納斯達克100大師賽中“鷹眼”系統首次正式使用，運動員每盤有兩次機會申請“鷹眼”仲裁（圖5）。

（5）圖組：“鷹眼”即時回放系統

“鷹眼”為什么能如此“明察秋毫”又“面面俱到”？這是一個由10臺高速攝像機和數臺電腦以及大屏幕組成的系統，計算機將球場上整個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全息捕捉網球運動的基本數據，再通過電腦成像技術，重建與合成網球飛行軌跡的三維圖像并顯示在大屏幕上。國際網聯表示了對“鷹眼”的高度認同和欣然接納。網壇巨星阿加西說:“在我20年的職業生涯中，這項新技術為網球增添了新的維度，無論對于運動員、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動場上那些高精尖的“前沿科技”，去觀察一下許多司空見慣的“雞毛蒜皮”，同樣會發現有趣的知識。當綠茵場上的足球運動員被踢傷后左盤右旋疼痛難忍時，常會看到醫護人員飛奔而來，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。這種液體的沸點為攝氏13℃，噴到運動員皮膚上立即“沸騰”并帶走大量的汽化熱，使創傷處急劇降溫。冷凍能使神經傳遞速度減緩，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）運動場上醫護人員的秘密武器

這里還想關注一個運動場上被熟視無睹的“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“真實身份”是碳酸鎂，許多文獻和生產廠家都說“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，應該說這是簡明扼要的介紹。然而幾乎同樣數量的文章指出，潮濕的手摩擦系數更高，例如剛洗過的腳穿進鞋子困難;數鈔票時要在指頭上蘸水;掄大錘時往手上吐唾沫并造出了“唾手可得”的成語。而早期的鉛球運動員投擲時也確實往手上吐唾沫。因此認為“鎂粉”的作用是通過吸潮減少摩擦力，以免運動員在“大回環”等動作中磨破手皮。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。實驗表明，在平滑的玻璃上拖動一個重物，使用“鎂粉”后摩擦力增大，但在粗澀的橡膠上拖動同一個重物卻摩擦力減小，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，還是形成了進入碳酸鎂晶格的“結晶水”？論者又各執一辭。最后還得請科學實驗出來說話，X射線晶體結構衍射測試表明，“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構沒有發生變化。

看來對“鎂粉”功能合理的解釋也許應該是:當手上的汗液形成了光滑的“水膜”時，“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動時“鎂粉”又能起到襯墊作用，相當于在中間添加一層“小球”作“滾動摩擦”。“鎂粉”同時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易于控制，使動作更加隨心所欲和擒縱自如。

高科技讓不屑一顧的“鎂粉”尚且有諸多學問，可見運動場館的確是個“知識密集”的地方，只要留心觀察，就會發現許多看來簡單而實際并不簡單的東西。