揭秘奥运项目背后的物理学和生理学

撑杆跳

高低杠

划独木舟

根据美国杂志《大众力学》，是什么让迈克尔·菲尔普斯成为世界顶尖游泳运动员？为什么娜斯佳·柳金在高低杠上表演了不可思议的动作？除了艰苦训练的必要因素外，还有另一个帮助他们到达世界顶端的关键因素，那就是科学。事实上，随着奥运会发展到今天，科学是任何项目取得好成绩不可或缺的。

游泳:天赋、训练和技能并不缺乏。

菲尔普斯绝对是游泳领域的“超人”，仅在2004年雅典奥运会上就赢得了6枚金牌。由于他非凡的运动能力，太多的记者给他泼墨。菲尔普斯是一个运动天才。他的身体像一条鱼，他的手和脚让人想起划独木舟。他的成功告诉人们，没有天赋作为基础，几乎不可能赢得奥运会。对菲尔普斯来说，如果他想打破马克·施皮茨在北京一届奥运会上获得七枚金牌的记录，拥有完美的自然条件是远远不够的。只有将天赋、训练和技术有机地结合起来，他才能在奥运会上创造历史。

身体状况:菲尔普斯的身体状况非常好，就像一台天生会赢得金牌的游泳机器。他的手臂跨度为6英尺7英寸，比他的身高高3英寸。他的躯干长，腿相对较短，内腿长32英寸。所有这些天然优势使他在水中战无不胜。

生物化学:在蝶泳和其他项目中，划船会导致肌肉中乳酸的积累，这将进一步影响运动员的表现。菲尔普斯肌肉中乳酸的具体含量仍是个谜，但根据测试结果，他体内自然产生的乳酸量远低于大多数游泳运动员。

柔韧性:有些运动需要力量，如铅球，有些运动需要柔韧性，如体操，而游泳是必不可少的。菲尔普斯的手肘、膝盖和脚踝有极高的柔韧性，这使得他比其他运动员对划船的抵抗力更低。

流体力学:在200米*泳比赛中，当游泳者以每小时3.8英里(约6.1公里)的速度前进时，要消耗290千焦耳的能量来克服阻力。为了减少能量消耗，菲尔普斯采用了一种更有效的游泳姿势——低下头，抬起臀部。

技术:菲尔普斯是海豚式踢腿。通过碰壁、转身和拍打双腿，他可以获得更快的划水速度。这个优势可以帮助他领先其他球员一半。

训练:菲尔普斯坚持每天训练。游泳池的训练时间为4小时，地面训练时间为1小时。由于游泳运动员每小时消耗大约1000卡路里，菲尔普斯通常只吃高碳水化合物食物以避免糖原消耗。

马拉松VS短跑运动员:得到你需要的

耐力:你能否赢得长跑取决于你的有氧代谢。瑞恩·豪尔每分钟每公斤体重的最大摄氧量(以下简称最大摄氧量)是84.7毫升。顶尖马拉松运动员的肌肉主要由缓慢的肌肉纤维组成。缓慢的肌肉纤维可以最大限度地利用氧气，从而提高肌肉耐力。

爆发速度:在有氧代谢成为一个因素之前，100米短跑已经结束。也就是说，对于像泰森·盖伊这样的短跑运动员来说，最大摄氧量远不如快速肌肉纤维重要。他需要的是速度而不是耐力。短跑运动员肌肉中的快肌纤维比例最高可达80%，收缩速度最高可达慢肌纤维的10倍。

大圆:你必须一步一步来

从门外汉的角度来看，美国队刘进的巨圈无非是几圈就够了。事实上，完成这个动作是一个非常复杂的过程，在刘进和握杆之间存在着力量和能量的相互转化。完成这个大圈需要力量和技巧。运动员必须保持良好的姿势——他的手臂应该伸直，同时脚趾应该伸展——为两周的空翻积累足够的动能。凭借强大的力量和不可思议的时机，刘进优雅地挑战重力。

1.当选手在单杠上倒立时，她开始做一个大圆圈，双腿伸直，脚趾绷紧并向上。

2.身体开始下降，手和杆之间的摩擦力减缓了旋转速度，每秒的旋转角度约为275度。为了抵消摩擦力对速度的影响，运动员的腿下降，腰部轻微弯曲，从而避开低杠。

3.在立即采取垂直姿势之前，运动员弓起背以提高旋转能量。当旋转到底部时，向下的压力可以达到4到7个重力加速度，并且保持杆可以偏离中心位置达4.5英寸(大约11.43厘米)。

4.通过弯曲臀部、骨盆、腹部和向前摆动双腿，运动员将身体重心靠近旋转中心。这个过程使用角动能来增加角速度，每秒的旋转角度可以达到304度。

5.此时，离下条的距离只有67微秒。运动员的身体在水平线以下10到20度之间，空中停留时间不超过1.5秒。

撑杆跳高:物理学的主角

目前男子撑杆跳高的世界纪录是20英尺1.75英寸，是14年前由乌克兰选手谢尔盖·布巴卡创造的。美国奥林匹克运动员布拉德·沃克以19英尺9.75英寸的成绩成为美国国内记录保持者。沃克需要什么来跳过额外的4英寸？答案是物理加技能，分别占85%和15%。

为了积累足够的动能在6英尺2英寸的有效距离内越过横杆，沃克的接近速度应该达到每秒至少33英尺。助跑后，有一个撑杆，它起着弹簧的作用，将积累的水平动能转换成垂直方向，最后把他送到16.7英尺(约5.09米)的高度。剩下的3.4英尺(约1.03米)将通过弯曲来完成，也就是说，抬高身体的重心，直到它跳过横杆。

1.接近:跑步者跑得越快，插入棒时传递给撑杆的能量就越多。理想情况下，玩家应该在10或12秒内达到最高速度。

2.斗杆插入:将斗杆以18度角插入斗杆插入斗杆。与初始高度相比，撑杆将弯曲大约70%，或者弯曲角度在120度和160度之间。撑杆的弯曲程度取决于运动员的重量和获得的动能。

3.跳跃:弯曲撑杆获得的势能被转移回运动员的身体并转化为动能。当支架开始伸直时，运动员离地面的高度不断上升，直到他的身体被倒置。

4.跳跃:在空中停留时，运动员必须控制自己的身体面对横杆。在通常的训练中，他们将通过蹲下、旋转和倒立来熟练掌握这项技术。

水的补充非常重要:在比赛期间，一名奥林匹克运动员每天可以喝3加仑(约11.35升)的水，是正常人的5.5倍。在北京奥运会上，由于气温超过华氏85度，湿度达到90%，运动员将不得不喝更多的水。流失2%的体液(相当于一名81.64公斤的运动员流失约1.58公斤)足以使运动员在比赛中晕倒。运动营养学家南希·克拉克解释道:“缺水会使血液变得更粘稠，从而增加心脏的负担，而心脏必须更加努力地工作以保证血液供应。”由于出汗过多，运动员需要适当补充水分，为下一轮比赛做准备。

跳水:成败只在一瞬间

在奥运会上，由于运动员优美的空中姿势，跳水成为观众的焦点。但是许多外行人不知道的是，一旦一个人跳下跳板，他的命运就会被决定。

接近:选手快速接近跳板的过程实际上是动能的积累。

压板:特洛伊·杜马斯在离跳板边缘12英寸的地方腾空而起。跳起来后，按下跳板以积累机械力，大约5000牛顿。

跳跃:凭借跳板的反弹力，迪马的最高速度为每小时12.3英里，这可以让他至少高出水面18英尺。在这个高度，他可以在空中停留1.5秒，同时给他完成技术动作所需的旋转力。

独木舟:“被骗”过回水门

2008年奥运会皮划艇比赛将在北京顺义奥林匹克水上公园举行。三届奥运会皮划艇运动员斯科特·希普利表示，这将是一场“力量、平衡和注意力”的比赛。在比赛中，皮艇运动员必须通过悬挂在水面上的18至25个门(目前的速度约为每秒4.57米)。最困难的部分无疑是反向门。因为这是“逆水行舟”，一个小小的失误可能导致所有的盘都输了。

1.参赛者在下游水平滑向反向闸门位置。当皮艇穿过门柱进入逆流时，游泳者用桨摆动船尾。

2.由于这个目标可以通过将头部穿过反向门来实现，绝大多数运动员会选择通过在内柱下划皮艇，然后围绕内柱转动船身来“愚弄”反向游泳者。如果运动员的旋转角度稍微偏离，皮艇将被下游掀翻。如果角度恰到好处，玩家将在转向过程中承受1.5的重力加速度。

3.这时，选手们开始向上游游去，北京体育场的水流速度达到了每秒9英尺(约每秒2.74米)。一旦通过反向门，游泳者向后倾斜，保持船尾远离水面，并抬起船头，将皮艇的转弯半径从11.5英尺减小到大约5英尺。

4.为了回到下游，游泳者必须依靠划水来产生每英尺65磅(96.73公斤/米)的扭矩，然后前进到下一个门，这需要大约3.5秒。