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化学新材料促使运动装备进化

【摘要】:新款的足球鞋以鞋脊取代鞋钉,鞋底用橡胶材料,穿上十分舒适。这种纤维主要是由可塑性非常好的晶体构成,这种晶体的结构经过特殊处理,能随气温变化而有效地贮存或释放热量,使人体与运动服装之间形成一种微空间的温度、湿度和气流的良好循环。受衣着影响较大的还有自行车运动。(三)各种体育用具方面的进化新材料不断地被应用于体育设施,使得在全民健身运动中使用的体育器材更加适宜人们的活动,从而加速全民健身运动的推广。

(一)运动鞋的不断改进

人体生物力学的研究表明,为了满足人体生理结构的要求,一双合适的运动鞋必须满足两个相互矛盾的要求:良好的减震作用和良好的稳定性。力学实验表明,脚着地瞬间会使人体受到来自地面的冲击力,这种力量像冲击波一样传遍全身。虽然这种冲击力在人体内传递时大部分力量会扩散到下肢,但仍有一部分力量会扩散到腰和大脑。如果所穿运动鞋不合适或鞋的缓冲能力差,就会产生这样的后果:有些人跑后或跳跃之后以及穿平板鞋走远路后,会感到头痛和腰痛。

脚部动态测试表明,以3 m/s的速度跑动时,脚掌要承受身体自身质量2倍的冲击力;若速度提高到6 m/s,脚掌就要承受人体体重4倍的冲击力,长跑运动员和经常跑弯道的运动员还会感到小腿疼。这是因为跑步时人体重心前移,脚掌着地时改变了人体正常的小腿纵向轴与脚掌间的合理角度。这种角度的改变使冲击力无法适宜地通过脚弓来缓冲而直接扩散到小腿。

为了解决以上问题,只有通过改变鞋的结构来满足人们对减震的、稳定性的要求。因而用于运动鞋的材料就必须兼顾吸能材料与弹性材料,即根据人体结构和运动项目的特点,在整个鞋底选择最佳部位,使吸能材料与弹性材料达到最佳配合,既能消除冲击力又能保证运动员获得足够的反弹力。日本研究人员在运动鞋的不同部位采用不同硬度的材料并夹入合成树脂稳定板及吸汗药物,这样保证了运动鞋的吸能能力和弹性,又可预防脚掌与内底之间因汗液产生滑动而引起脚腕部受伤。法国研究人员开发了一种具有空调功能的底材,即在内底的脚跟、脚趾处开发网状细孔,并与装在外底上的气流垫相连接,迈步时,加到脚跟部的压力使气流垫中的空气流动起来,而鞋内底的曲线设计可对脚心产生舒适的刺激作用,来自地面的冲击首先经脚跟部气流垫缓冲,然后被鞋整体吸收,从而把脚部疲劳控制在最小限度。美国研究人员开发了一种介于中底、外底之间的气垫装置,这种气垫是一种可以夹入气体在密封囊的新式底材结构,里面的气体不是普通的空气,而是一种经高压注入的大分子结构的气体,装有这种气垫的底材经踩踏、蹬跳仍能自行恢复原状,可以最大限度地吸收伤害性的冲击力。气垫结构的发明替代了累赘的传统材料,大大减轻了运动鞋的质量,降低了运动员的体力消耗。

研究人员不仅在鞋底材料上下功夫,而且还根据不同项目的特点来制造出不同的运动鞋。其中,以锐步公司生产的田径鞋最具特色,这种鞋的鞋钉采用碳素基质,质量轻且摩擦力好,整只鞋仅重156 g。鞋底材料是一种碳纤维与玻璃纤维编织的并涂有尿烷的材料,鞋底的足跟与足弓部垫有新型尿烷材料,并经过激光微点蚀刻,鞋面材料采用合成革,这是一种质量轻、吸震、有弹性的运动鞋。为了减少阻力,鞋前面还包了一层光滑的莱克拉(聚氨酯弹性纤维)。传统的足球鞋普遍采用金属钉垫,并将鞋钉通过螺丝拧紧,鞋底嵌的鞋钉虽然能为运动员提供向前的动力,但因鞋钉易陷入土里,运动员急速变换方向时常因鞋钉不适而造成膝盖与脚腕受伤,也难以提供侧向的动力,若遇地面坚硬,脚板也很不舒适。新款的足球鞋以鞋脊取代鞋钉,鞋底用橡胶材料,穿上十分舒适。而且前鞋底有数条倾斜形鞋脊,后鞋底有一个十字架形鞋脊,这样,倾斜形鞋脊能帮助运动员在助跑时灵活地控制方向,并能快速地转向,十字架形的鞋脊还有助于保持运动员跑动时的稳定性。

(二)服装的进化

体育服装被列为体育界重点研究项目,其重要原因是体育运动服装的面料和款式直接影响运动员的成绩。科学家在研究中发现,运动员穿的服装及身上的汗毛都可以使阻力轻微提高。例如,穿着松弛的棉织品可以使阻力增加5%,穿一条长绒袜可以使阻力提升1%。另外,人体形态主要是靠服装和装饰体现出来的。在比赛场上,可塑性极大的运动服装总是最先引起人们的注意力,服装的款式、颜色和大小是否能体现优美动作及与各种运动专项相符合,不仅影响运动员心理和技术的发挥,而且在一些项目中还影响裁判员的评分,如体操、花样游泳等。

就制作运动服装的衣料来讲,主要考虑防水、保温和减少阻力等。

一是防水透气衣料。这种运动衣料可以阻止外部的雨水、风或其他水分进入衣服内,同时还可以把人体散发的热气排出衣服之外。它适合制作登山服、滑雪服、皮划艇服等。

二是保温吸汗衣料。保温的通常作法是加厚运动服,但加厚的运动服装会妨碍动作发挥。冬天,运动员大量出汗之后会有一种寒冷感,为了解决这一问题,研究人员研制出一种吸汗衣料,这种衣料是利用合成纤维单丝的粗细不同所产生的吸水程度的不同,实现吸汗快、蒸发快的目的。

最吸引人的衣料是具备综合性能的“空调衣”或称“内气候”衣料,它由三层纤维组成,最内层是疏水性纤维,中间层是亲水性纤维和疏水性纤维的混合层,最外层是亲水性纤维。这种纤维主要是由可塑性非常好的晶体构成,这种晶体的结构经过特殊处理,能随气温变化而有效地贮存或释放热量,使人体与运动服装之间形成一种微空间的温度、湿度和气流的良好循环。

三是减少阻力衣料。衣料对运动成绩,尤其是游泳成绩的影响极为显著,流体力学专家的研究表明:阻力若减少1%,速度可提高0.3%,以百米游泳为例,若两名运动员水平相同,穿新式低阻力泳衣的运动员速度可提高0.5 s,而高水平游泳运动员想通过加强训练提高0.5 s是相当困难的。受衣着影响较大的还有自行车运动。研究表明,运动员穿半袖线质服比穿半袖尼龙紧身服阻力增大3.5%,阻力系数增加3.42%,所以自行车运动员的服装跟泳衣一样,常使用减阻力衣料来制作比赛服。

(三)各种体育用具方面的进化

新材料不断地被应用于体育设施,使得在全民健身运动中使用的体育器材更加适宜人们的活动,从而加速全民健身运动的推广。

应用于群体运动器材的材料很多,但总的来说,那些用新材料制造的群体运动器材具有如下特点:(1)轻便、牢固、手感好。例如,过去的网球拍是由木料和金属材料制作的,现在则使用玻璃纤维增强材料或碳纤维等材料,无论是在质量、强度,还是在吸震性和手感方面都有明显的优势。高尔夫球杆过去是由柿树木制作的,虽然柿树木质细腻,质量均匀,但韧性较差,挥击由柿树木制作的高尔夫球杆时感到费劲且硬度不够。后改用轻合金,球杆硬度虽有明显提高,但抗疲劳性能差,且价格昂贵,非一般消费者能够使用。现在选用碳纤维或者长纤维碳-石墨混杂复合材料来制作高尔夫球杆,不仅质轻、钢度韧度合适,而且头重杆轻,便于提高挥杆速度。实验表明,使用这种杆挥击击球时,挥击速度可提高15%,击球距离可提高20~30 m,而且选手极易控制方向。(2)抗拉、韧性强、安全性好。例如,滑雪靴,过去使用模压聚氨基甲酸乙酯,运动员滑行时若不慎就会损伤踝部。现在使用尼龙,质量轻且钢性强,使用时运动员会感到转动十分灵巧且安全。传统的竹鱼竿或铝制鱼竿极易折断,而使用碳纤维增强复合材料制作的弓形鱼竿质轻、韧性强,不会折断。绳索是航海和登山爱好者经常使用的工具,过去使用的是麻绳,安全性能差,现采用石墨-碳纤维或非晶尼龙制作的绳索,耐磨、耐腐蚀、安全性极高。(3)寿命长、抗冲击、耐腐蚀。例如,使用聚乙烯纤维增强的乙烯基酯复合材料制成的航海运动器械,质量轻、抗冲击力强、耐海水腐蚀。(4)各种体育器材富有特色,增添活动情趣。例如,使用发光材料制作的高尔夫球,当球赛进行到日落西山时,球的荧光层就会发出绿色的亮光,使球赛不因天色不佳而终止。还有垂钓使用的夜光漂,使垂钓爱好者领略夜钓的乐趣。

1.网球拍

网球运动深受广大群众的喜爱,网球拍历经多年演变,在约30年前,网球拍还是木质的,在高水平和高级别的比赛中,运动员的球拍主要使用枫木、木岑木与加蓬榄木等上等材料,木质球拍存在很大的缺陷,如质量大、刚性差、易受潮变形等。

20世纪60年代末,随着第一代复合材料碳纤维加固片的出现,混合材料的球拍占据主导地位,网球拍无论从形状、外表涂装还是结构强度上都向着细致化方向发展。逐渐开始采用钢或铝制的金属混合框架,不但提高球速,而且减缓威胁性的振动。

Wilson是目前国际市场上占有率最高的网球拍品牌,其产品帮助许多运动员在网球比赛中取得良好成绩。1980年,Wilson精心研发的Pro Staあ系列专业球拍面世,它是第一支用编织碳纤维和克维拉纤维材料制成的球拍。几乎同时,由复合材料取代金属材料制作的球拍开始在球拍界流行。利用碳纤维复合材料制作的球拍具有质量轻、弹性好、刚度大等特点,还具有良好的减震功能、延展性和可塑性。在大型网球拍的制作上,和过去的木质网球拍相比,同样质量时,碳纤维复合材料制成的球拍面积可扩大约1.5倍,网线张力提升约20%~45%。由于碳纤维复合材料阻力大,因此不容易起振,起振后也容易停振,能够大大提升运动员在打球时手部的舒适度。

一只速度为160 km/h的网球产生的冲击力大致相当于突然举起约75 kg重的物体,这些力将被传递到手肘外侧,位于上侧骨架的高负载会导致毛细血管和肘韧带损伤,且在传递给球更大的力量上,强化碳纤维混合材料的高硬度超过了金属材料,球撞击时会产生高频率的振颤,为了减轻这种振颤,就需对球拍柄进行改进。

现代网球拍的设计目标是要增加“甜点”(球拍面的最佳击球区)的中央部分,这样,当球击中球拍时,对球员只产生很小的振动,很少或几乎没有影响。改进后的内核部分常常是注射进去的聚氨酯泡沫形成巢状构造,球拍柄由数层强化纤维包围着一个软的内核组成,强化纤维会对球拍有更大的减缓振颤的作用,能够产生更大的硬度。

先进材料在网球拍中的应用使网球竞技运动得到了快速发展,同时也吸引了更多年轻人加入网球运动中。

2.泳装

泳装材料首先是以尼龙聚酯纤维等来代替天然纤维棉、麻等。随着现代科技的日新月异,特别是新材料的不断研制,许多特种纤维被用作泳装材料,如聚酰胺纤维、低密度聚乙稀纤维、最轻级的涤胺织物等。

目前,新型泳装材料是由超细尼龙纤维和聚氨酯纤维组成,其平滑程度与伸缩性大约比其他衣料提高1倍,主要由80%的尼龙和20%的聚氨酯织成。泳装在款式上的设计主要是解决三种阻力,即漩涡阻力、传波阻力及表面摩擦阻力。其中,表面摩擦阻力是由水流在泳衣表面形成的阻力。解决这些阻力的方法就是使用比“皮肤还光滑”的衣料来做泳衣。过去人们一直错误地认为不穿泳衣阻力最小,但最新的测试表明,采用新材料的泳衣可以使运动员游泳时阻力变得更小,即零阻力和负阻力泳装。其原因是通过泳装与人体的整体设计,用泳装来弥补人体体型的不足,使运动员的体型接近最理想的体型。

在1988年汉城(现称为首尔)奥运会上,美国游泳名将马特·比昂迪穿着由聚氨酯纤维和超细尼龙纤维材料制成的“大力士”泳衣,取得突破性佳绩。自此以后,人们便将这种泳衣称作零阻力泳衣。新型材料制作的泳衣不仅可以有效增强运动员身体的凹凸性,而且还可以在极大程度上避免水流入泳衣内,运动员在游泳的过程中就可以使身体保持流线型。Speedo公司于2000年依据鲨鱼皮仿生原理,制造出“鲨鱼皮”泳衣,其独有的“鲨鱼皮”设计深受广大游泳运动员喜爱。鲨鱼皮肤表面粗糙的V形褶皱可以大大减少水流的摩擦力,使身体周围的水流更高效地流过,在很大程度上减少了水流对身体的摩擦力和阻力,以实现快速游动。当运动员穿着“鲨鱼皮”泳衣向后划水的时候,泳衣的接缝处会模拟人体肌腱,从而为运动员提供助力。通过对运动员身体数据信息进行激光检测,用聚四氟乙烯纤维对“鲨鱼皮”泳衣进行立体设计,使运动员的身体能够得到严密的包裹。大量实践表明,“鲨鱼皮”泳衣可以为运动员减少的水阻力达3%,这在提高1%秒就能决定胜负的游泳比赛中有着非凡意义。

图5.1 采集400位运动员数据,利用3D模拟绘制

图5.2 泳衣表面排列百万个细小的棘齿

图5.3 “鲨鱼皮”泳衣纤维丝结构图(www.chuimin.cn)

3.自行车

1989年,为了改进自行车的性能,人们把空气力学和先进材料结合起来,极大地减少了空气阻力。美国选手葛赛格·雷蒙斯以8秒的微弱优势战胜法国选手劳伦特·费格农,获得了环法自行车赛的冠军,这是因为葛赛格·雷蒙斯自行车的把手的按式延伸部分以及一个非常关键的垫充管,这极大地减少了自行车在运动中受到的空气阻力。当今自行车在竞技领域中的不断前进与发展,在辐式车轮、链式概念气胎以及附件(如杠杆刹车、车座和脚踏板)等方面都具有了巨大的进步。但是,自行车的发展主要还是表现为车轮以及车架结构的提升。

自行车可以被认为是一个稍微修改过的空间骨架,拥有一个钻石形车架,钻石形车架及交替型结构抗张力、压力、折力和扭曲压力。材料需要拥有较高的单位强度,可以简化为追求悬臂梁的最小曲折力。因此,根据材料的特性数据,碳纤维则为最佳材料,铝、镁、钛次之,但是碳纤维的费用较高,而钢(处在其他材料不太远的位置)的费用较低,是应该选择的材料。

目前,人们开始研究、生产混合骨架,如将铁与强化碳纤维混合。1964年,在东京奥运会400米追逐赛上,Dales用5分5秒赢了。1992年,在同样的奥运比赛中,博斯德曼用时3分22秒。著名的环法自行车比赛选手的历年平均速度也表明,将碳纤维运用在自行车中能够极大地提升运动员的竞技成绩。

4.撑竿

20世纪50年代末,随着材料科学的飞速发展,撑竿纪录迎来了新的契机。在1896年的雅典奥运会上,使用竹竿的撑竿跳的高度是3.20 m。当复合材料首次被运用到体育器材中,经过高温定型,编织成圆筒的玻璃纤维与有机树脂黏合被制造成玻璃纤维复合竿,质量轻且经久耐用,可承受的强力大,弹性好,成为撑竿跳高运动员得心应手的器材。在助跑结束插入斜穴时,使用这种玻璃钢撑竿,运动员能将快速向前的动能转换为撑竿的弹性应变能。同时,当撑竿被压弯到最大限度后,帮助运动员腾空飞跃,向上释放出这部分弹性应变能而转换为运动员的势能。

利用这种新式撑竿,1960年,美国运动员打破了“人的体力不能超过4.87 m的极限”的界限,一举飞过了4.98 m的高度。到了1962年,尤尔赛斯成绩提高了11 cm,第3次刷新世界纪录。第四次刷新纪录在1963年,世界纪录又提高了26 cm。20世纪60年代和70年代,凭借这一技术优势,美国人垄断了撑竿跳高项目的最好成绩,始终占据绝对实力。直到80年代,多种高性能纤维应用于复合材料撑竿上,撑竿跳的优势开始转向欧洲。谢尔盖·布勃卡在1985年利用新型碳纤维撑竿,首破6 m大关。

为了能在接近极限区域中创造更好的成绩,实现新的突破,在当今世界的体育竞争中,科学技术的竞争是极其重要的。先进材料是提高体育科学技术水平的重要条件之一,为了提高运动成绩,世界各国尤其是发达国家都在运动训练和体育器材上不遗余力地研究和应用各种新技术、新材料。而世界级的撑竿跳比赛就是选用了一种高精度的混合物撑竿,一次次刷新世界纪录。

5.滑雪板

雪上运动包括高山滑雪、越野滑雪、跳台滑雪、现代冬季两项滑雪、军事滑雪、雪橇运动、雪橇两项、高山两项、三项全能、多项滑雪等。在过去的100年间,滑雪板的形状虽然依旧是一副“老”面孔,但制作材料却是变了又变。

20世纪50年代,滑雪板采用木材,后来改用金属或玻璃纤维,接着革新为碳纤维和合成纤维。滑雪板由于设计上的不断改进,转弯变得更加方便,速度更加稳定,并且在冰上也不打滑。1990年,法国所罗门公司首制硬壳滑板,许多公司群起仿制,到了1994年冬天,在欧美市场上,硬壳滑板占了90%的份额,这种帽式结构改变了滑雪板的三夹板结构,用一整块牢固外壳包裹木料或泡沫填料。

日本雅马哈公司在1994年率先研制出带凹凸面的滑雪板,滑雪板承载人体质量后,原先设计为平滑面的中央部位,会稍稍产生凹面,增加了凹凸面后,正好弥补了原先的不足。新型滑雪板由于能紧紧抓住冰雪面,增加了高速滑行的稳定性,完成旋转动作时也显得较为轻松自然。但是,滑行过程中产生的振动也会造成很大的时间损耗。于是,雅马哈公司在用于速降、超级大回转等高速项目的滑雪板内特别加入了两层硬铝合金片。美津浓公司则在用于旋转项目的滑雪板前端埋入了钱币大小的钛合金,从而尽量减少滑行过程中的振动。

6.其他运动器材

标枪竿的材料最初采用木材,后来又制成竹竿标枪。1952年起,逐渐改用铝竿标枪,在1984年洛杉矶奥运会上,乌贝霍思使用铝竿标枪,投出105 m的世界最高纪录。

射箭成绩的提高关键是提高弓和弓弦材料的比弹性率。弓的恢复越大,箭飞行的距离就越远,其命中率也就越高。1972年,在慕尼黑大赛中,美国选手在大赛前推出了新型弓弦,一种用涤纶加聚酯的新型弓弦材料——凯布勒弓弦,取得了金牌。这种材料质轻、比弹性率高,它可使箭的速度增大两倍。一般情况下,采用涤纶弦可射1 200环,而采用凯布勒弦可射1 250环。1985年,一种新的超高分子聚乙烯弦材料问世,使射箭的命中率再次提高。

假肢的不断进化不断刷新残疾人运动会竞技比赛的纪录。1992年,巴塞罗那残奥会上,截瘫的乔·盖伊苔使用斯布雷·赖特Ⅱ型假肢装置,它提供了一个细的碳素纤维环氧化的桥塔状装置,以确保良好的硬度和柔韧性的平衡,它的能量储存汇流装置能够帮助提高成绩,并有助于减轻较长距离的行走或跑步产生的疲劳。

你知道吗?

1.《掷铁饼者》雕塑的作者是谁?答案:古希腊雕刻家米隆。

2.早期的高尔夫球其实是一个塞满羽毛的皮袋。

如果没有高科技参与,体育成绩平平,赛场将黯然失色。由于新材料的发展和应用,运动器材得以不断创新,运动训练更加科技化,竞技体育管理更加现代化,加速了现代体育科技的系统化。现代体育的发展、运动员运动成绩的提高仅仅依靠运动器材、运动服装等是不够的,它是科学选材、科学诊断、科学训练、科学恢复、科学营养、科学管理以及思想品德和运动心理教育等综合因素共同起作用的结果。

体育运动的蓬勃发展离不开高科技的支撑。新材料在体育运动领域中的广泛运用,不仅会对竞技体育起到重要影响,使比赛更加激烈,运动成绩不断提高,在全民健身上,也有利于全民健身运动的普及与推广。反过来看,正因为体育运动的持续发展,对体育运动领域新材料的研发也提出了更高要求。我们必须充分利用两者相辅相成的关系,进一步提高新材料在体育运动中的应用,推动体育运动的科学发展。

思考题

1.如何挑选适合自己的运动服装?

2.你觉得目前的运动服装设计中有哪些问题?

3.你欣赏运动服装颜色的发展趋势吗?

4.有人觉得新材料的发展导致了体育竞赛的不公平,你认为呢?

5.1952年起,标枪杆的材质就开始采用哪种材料?

6.你知道撑竿跳运动中首先打破了“人的体力不能超过4.87 m的极限”的运动员是谁吗?

7.著名的环法自行车比赛选手的历年平均速度表明,运用在自行车中能够极大地提升运动员的竞技成绩的材料是什么?

8.就制作运动服装的衣料来讲,主要考虑哪些因素?

9.大量实践表明,“鲨鱼皮”泳衣可以为运动员减少多少阻力?