體育競爭與先進材料

體育競爭與先進材料

材料、能源和信息技術(shù)是現(xiàn)代文明的三大支柱。新材料的研發(fā)和應(yīng)用已成為世界各國科技競爭的焦點。體育競技也是各國展示綜合科技能力的賽場。1新材料的應(yīng)用新材料在體育運動的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面:一是直接應(yīng)用,二是間接應(yīng)用。間接應(yīng)用是指與運動場地、裁判設(shè)備、信息顯示、指揮通訊等有關(guān)的各種材料需求。直接應(yīng)用是指與運動員裝備,包括運動服裝,運動鞋、帽,訓(xùn)練器材和比賽器材等有關(guān)的各種材料需求。目前應(yīng)用于體育器材制造上的新材料主要有碳纖維復(fù)合材料、阿德米拉纖維、硼纖維、新型陶瓷復(fù)合材料、非晶質(zhì)金屬纖維單結(jié)晶質(zhì)碳化硅纖維熱塑性塑科樹脂等這些新材料在網(wǎng)球拍、羽毛球拍、高爾夫球頭和球桿、自行車賽車、撐桿跳高撐竿、棒球棒、釣魚竿、冰刀、冰球棒、滑雪板、登山滑雪靴、賽艇、帆船、皮劃艇、劃槳、沖浪板、擊劍臺、拳擊臺、體操訓(xùn)練比賽臺、射擊射箭器材、跳高器材、各類訓(xùn)練比賽用球、各種場地設(shè)施等方面得到大量的應(yīng)用。新材料在體育運動中的廣泛使用極大的提高了場地器材的質(zhì)量和性能,保證了運動員使用的安全性;特別是在近些年,隨著新材料與新技術(shù)方面的顯著進展,大大調(diào)動了運動員自身的潛能,促進了自身素質(zhì)的不斷提高,增強了戰(zhàn)勝自我的信心,同時也對人類戰(zhàn)勝自然,挑戰(zhàn)自我提出更高的要求。2運動服裝、高爾夫球場地的革新高性能新材料的誕生,直接對體育器材設(shè)備、運動服裝、運動場地等方面的革新產(chǎn)生了重大影響,涌現(xiàn)出一批新型體育器材設(shè)備、運動服裝和運動場地,從而大大促進了運動成績的提高。2.1運動器材的研制在當今科技全面發(fā)展的背景下,新型材料的研發(fā)面世并應(yīng)用于運動器材的研制,對運動器材的發(fā)展起著重要的推動作用。許多運動器材由于合理地選用了先進的材料,使用性能獲得了質(zhì)的飛躍。2.1.1限制了體育市場的發(fā)展競技體育運動中的大多數(shù)項目,必須借助器械來進行,因此器械性能的好壞對運動成績影響頗大。使用玻璃纖維增強材料或碳纖維、石墨復(fù)合材料制造的各種球拍、撐桿和高爾夫桿等,無論在重量、強度還是吸震性等方面都有明顯的優(yōu)勢。新材料被用于網(wǎng)球拍上進步很快,60年代幾乎是木制球拍的天下;70年代出現(xiàn)了鋁等輕金屬或合金制成的球拍;80年代以來,經(jīng)歷了玻璃纖維、高強度尼龍、碳纖維、克維拉纖維(防彈衣材料)、高強度碳纖維高張力碳纖維、高粘性碳素聚合物等的應(yīng)用過程。近兩年以鈦金屬與非金屬高強度材質(zhì)組成的復(fù)合材料再度成為廠商推薦的熱門產(chǎn)品。這一系列的變化,使球拍變得更輕、更硬、更耐用,也更吸收震蕩和振動,最終使得網(wǎng)球選手的各種技術(shù)動作更加靈活自如。例如,AndyRoddick發(fā)出的Ace球可達246.2km/h,這是前人所不敢想象的。撐桿跳高的關(guān)鍵器材是撐桿,它起著傳遞力量、積蓄能量,使運動員越過一定高度的重大作用。而撐桿的彈性性能和長度,更是運動員能力發(fā)揮的關(guān)鍵,因而也成了研究人員探究的中心。在撐桿跳運動中,撐桿的改進已經(jīng)經(jīng)歷了木桿、竹竿、金屬桿和玻璃纖維桿等4個階段,它們所對應(yīng)的最好成績分別為2.29m、4.30m、4.83m和6.15m。納米材料技術(shù)會根據(jù)撐桿跳項目的特點和競賽規(guī)則的要求及運動員自身的特點,生產(chǎn)出具有個性化的撐桿,可能使該項目的世界紀錄再有突破。2.1.2碳纖維強化了“超級自行車2號”制約自行車速度的主要因素,來自空氣的阻力。有關(guān)科學(xué)家預(yù)測,自行車在平坦光滑的道路上,當車速近50km/h,全部阻力中約90%來自空氣,而空氣阻力中又有2/3是騎車者本身造成的。近年來新設(shè)計的取名為“超級自行車2號”的短距離專用賽車,率先用碳纖維為材料,車架和圓盤型車輪全部采用于制造隱型飛機的石墨纖維。與采用鋁合金材料的傳統(tǒng)自行車相比,新車不僅堅硬、穩(wěn)固,而且強度提高了3倍,重量僅7.2Kg,車身寬僅2.5cm。美國運動員在1995年泛美運動會中,使用該車刷新了1項世界紀錄和3項泛美紀錄。2000年悉尼奧運會美國運動員采用了被稱為III型的自行車,車胎采用壓力達到每英寸250p的絲織輪胎,車手穿了改良的比賽服,其縫合處是根據(jù)氣流特點設(shè)計的,可以降低摩擦,比皮膚還要光滑,據(jù)說可以幫助運動員提高成績1~3s。2.1.3拉歇爾經(jīng)編針織物足球起源于中國,關(guān)于足球的制作材料,唐朝人徐堅在《初學(xué)記》里記載“古用毛糾結(jié)為之,今用皮,以胞為里,噓氣閉之而蹴之典型的現(xiàn)代足球是采用天然的橡膠做內(nèi)膽外包聚氨酯并采用多層制作以及加強襯里。2002年足球世界杯指定用球“飛火流星”全部是用人工合成材料制成,表面那層厚度僅僅3mm的合成革,其中就包括了高固化聚氨酯、透明聚氨酯涂層“以及天然橡膠總共多達10層的材料有機結(jié)合而成。這種材料由許多直徑為0.1mm,大小均勻、高彈性、抗沖擊力極好的微型氣囊組成,這些微型氣囊排列規(guī)則,密度高達每平方厘米數(shù)萬個。除了微泡混合塑料,在球中部的空氣球膽周圍還有一層網(wǎng)狀物,這是一層非常柔韌的加強型材料。阿迪達斯公司稱之為“拉歇爾經(jīng)編針織物”。運動員踢球的之后,這層網(wǎng)狀物可以防止足球變形,從而使球在飛行過程中的運動方向不會發(fā)生改變。2.2新材料在運動服務(wù)上的應(yīng)用2.2.1“低阻力”設(shè)計競技體育界十分重視運動服裝的開發(fā)研究,因為運動服裝的衣料和款式直接影響運動成績。衣料對運動成績,尤其對游泳的運動成績的影響極為顯著?？茖W(xué)研究表明,兩名體型、推進力相同的選手,在100m自由泳競賽中,如果其中一個的阻力能減低1%的話,他的時間可加快0.15s,他就能領(lǐng)先30cm。因此,泳衣的選擇對奪取金牌起著十分重要的作用。世界各國都在積極研究與設(shè)計“低阻力泳裝”以盡可能地減小游泳者與水的摩擦。泳裝的材料從毛或絹向尼龍、尼龍加聚氨酯、聚氨酯加聚酯的方向發(fā)展,使得泳裝材料的伸縮性、樣式、舒適程度、降低阻力等方面都不斷得到改進。澳大利亞斯皮多體育用品公司與圖例茨基合作于2000年3月首次推出了模仿鯊魚皮膚構(gòu)造的“快速皮膚”?！翱焖倨つw”采用類似鯊魚皮膚上尖狀突起的脊形結(jié)構(gòu)的新型面料,其高度和寬度通過科學(xué)計算嚴格按照鯊魚的結(jié)構(gòu)比例制成,水流在細溝內(nèi)產(chǎn)生小旋渦與泳裝表面產(chǎn)生的大旋渦交互作用,幫助人類在游進過程減少阻力。同時還在面料中增加了“超級彈性”的成分,有效地減少了肌肉受到的震蕩。“快速皮膚”與以往皮膚暴露較多的泳裝相比,劃水效果更大,速度更快,還給運動員在某些部位施加壓力,以便他們在比賽中可以保持正確的技術(shù)動作。此外,緊緊包裹在二頭肌和大腿的肌纖維可以減少肌肉的顫抖,從而降低疲勞程度。根據(jù)測試,“鯊魚皮”在水中比普通泳裝可減少阻力7.5%,提高成績3%。所以在2000年悉尼奧運會上不少身著這種泳裝的著名選手共14次打破游泳世界記錄,正是現(xiàn)代高材料技術(shù)在現(xiàn)代競技訓(xùn)練和比賽中被恰如其分地運用的最好寫照之一,目前國外正在運用納米材料生產(chǎn)阻力更小的游泳衣。2.2.2運用人物組織、針織材料制作的鞋釘科學(xué)研究表明,運動員每邁出一步,著地腳所承受的重量是體重的3倍,因此,跑鞋對于徑賽運動員來說至關(guān)重要。在田徑規(guī)則中,對跑鞋上鞋釘?shù)臄?shù)量、長度、直徑都有嚴格的規(guī)定,但對其位置和鞋的重量沒有限制。根據(jù)生物力學(xué)專家測定,跑鞋重量每增加100g,運動員的體能消耗將增加1%,因此如何減輕釘鞋的重量成為各大運動鞋廠家關(guān)注的課題。1991年,美津濃公司為美國著名短跑運動員劉易斯制作了重量僅為115g的專用跑鞋,這雙鞋的鞋底是用特制膠制成的,用超級的、堅固的陶瓷做的鞋釘,用三軸編織纖維制作的新式跑鞋,從而使重量減輕20g,這些先進的設(shè)計和高新材料幫助劉易斯在東京田徑世錦賽上以9.86s的成績打破世界紀錄并摘取了金牌。在2000年悉尼奧運會上,美國男女飛人邁克爾·約翰遜和瑪麗安·瓊斯分別穿上由耐克公司科研人員耗時3年制成的“金縷鞋”與“水晶鞋”,大大提高了兩人的競技水平。此外,利用新材料和新工藝制成的新型的足球鞋、棒球鞋、籃球鞋等也在各自的比賽項目中發(fā)揮重要的作用。2.3新材料在體內(nèi)的應(yīng)用2.3.1彈性相模和彈性讓人在20世紀60年代以前,跑道是由煤渣混合泥沙鋪墊而成。此后,人們發(fā)明了塑膠跑道,它是一種用高分子化學(xué)合成材料鋪設(shè)的富有彈性的跑道,由于塑膠跑道色彩鮮艷美觀,從心理學(xué)上講,這給運動員一種舒適感,可以振奮精神,提高競技水平。時下為大眾所津津樂道的納米技術(shù),已經(jīng)能夠從實驗室落實在北京2008年奧運會上。北京將為世界各國的健兒們鋪就納米跑道,比一般塑膠更符合力學(xué)特點,并具有易保養(yǎng),高壽命,高韌性等特殊功能。使田徑比賽成績提高的同時減少了運動損傷的發(fā)生率。2.3.2有助于創(chuàng)新動作和減少運動損傷體操項目的器材利用現(xiàn)代科學(xué)成果中的某些新材料給予改進,以增加彈性、韌性,更適宜運動員發(fā)揮自己的潛力、更有利于創(chuàng)新動作和減少運動損傷。如自由體操彈簧場地的使用,彈性的增加為自由體操難度動作的發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ),自由體操向多周與多軸轉(zhuǎn)體方向發(fā)展,如團身、屈體、直體后空翻兩周及兩周同時轉(zhuǎn)體360°、720°,甚至團身后空翻三周的超難度動作等,大大推動了體操技術(shù)的發(fā)展。3新材料有利于競技體育的科學(xué)化、人性化、個性化發(fā)展在20世紀,人類向自己的體能極限,發(fā)出了前所未有的沖擊,然而,近來的科學(xué)研究表明,那種破世界紀錄如探囊取物的時代已一去不返,競技體育已經(jīng)走到了人類身體極限的邊緣。當今世界的體育競爭的實質(zhì)上是科學(xué)技術(shù)的競爭,而先進的材料則是提高體育科學(xué)技術(shù)水平的重要條件之一。為了能夠在接近極限的區(qū)域再有新突破,創(chuàng)造更好的成績,人們將希望寄托于新技術(shù)和材料的運用,為此,世界各國尤其是發(fā)達國家都在不遺余力地研發(fā)各種高新材料并將其應(yīng)用到運動訓(xùn)練和體育器材上。21世紀的新科技,已經(jīng)從分子水平研究人體機能,正在全方位影響競技體育的發(fā)展,其深刻影響不僅促進競技體育成績的快速增長,也促進了競技體育的科學(xué)化、人性化、個性化發(fā)展。新材料能夠建造適應(yīng)于提高競技體育成績的微型生物芯片、傳感器、界面生物材料,它們在肌肉收縮、細胞移動與分化、囊泡轉(zhuǎn)運、信號傳導(dǎo),特別是DNA復(fù)制、卷曲與翻譯方面起著舉足輕重的作用。人們可以開發(fā)一種可以植人皮下微型生物芯片,模擬健康人體內(nèi)的葡萄糖檢測系統(tǒng)監(jiān)測機體在運動過程中血糖水平,然后根據(jù)人體需要,適時釋放糖等物質(zhì),維持機體在運動過程中的血糖水平,有效地提高機體的運動能力。運動員還可以在不同的身體部位安植微型生物芯片以及具有供氧功能納米泵的人造紅細胞以提高人體在運動過程中的機體水平,從而有效地提高運動員的氧運輸能力,進而獲得優(yōu)異成績;通過納米級敏感器,我們可以監(jiān)視運動訓(xùn)練導(dǎo)致的細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的形態(tài)與數(shù)目的變化,以及這些變化所反映各器官功能結(jié)構(gòu)的功能狀態(tài),利用納米遙控進行低成本和卓有成效的保健。在運動疲勞機制的研究方面,由于納米科技在醫(yī)學(xué)上的突破,對運動疲勞機制尤其是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)方面及其靶器官和靶細胞的研究將更加深入,這使得運動性疲勞和過度疲勞的發(fā)生機制得到闡明,使早期發(fā)現(xiàn)的方法簡約化并及時制定對策。這為教練員制定訓(xùn)練計劃直接起到了參考與監(jiān)督作用,為運動訓(xùn)練過程的科學(xué)化與訓(xùn)練調(diào)控提供了依據(jù)。由于競技體育的激烈對抗性,運動損傷不可避免。因此,受傷機體的修復(fù)比預(yù)防更為重要。但如何使更多的藥物透過皮膚,進入血液循環(huán),提高藥物的功效還是一個難題。研究顯示,納米新材料可能在促進藥物透過皮膚屏障方面起到作用。納米藥物由于微粒的直徑和大的選擇吸附能力,可以有更強的穿透能力,從而使更多的藥物透過皮膚屏障,進入血液循環(huán),提高藥物療效。特別是隨著納米科技在中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用,使傳統(tǒng)中醫(yī)藥對運動損傷與運動性疾病的預(yù)防和治療具有更好的效果。納米陶瓷在人工關(guān)節(jié)、人工骨、耳聽骨修復(fù)體等人工器官制造及臨床應(yīng)用領(lǐng)域有更廣闊的應(yīng)用前景,為殘疾人提高運動技術(shù)與身體機能,創(chuàng)造優(yōu)異運動成績提供了物質(zhì)保證。4新材料在體育領(lǐng)域