跑道春秋

科技之光

1996年亚特兰大奥运会是现代奥运会的百年华诞。男子百米竞赛中，金牌得主贝利以9.84秒的成绩刷新世界纪录。比起100年前雅典奥运会的百米记录12秒，相当于把当时的冠军汤姆.伯克拉下20多米！田径作为奥运会的主体项目，百年来成绩大幅度提高的原因除了技术动作的日益合理，跑鞋、运动服的不断改进，还有一个重要的条件，那便是跑道的巨大变革。和当年的前辈们相比，今天运动员的双脚已经踏在完全不同的地面上了。

（１）1896年雅典奥运会赛场

1896年雅典奥运会帕纳辛奈科体育场的U形跑道为滚压后的泥土层，无论表面平整度和软硬均匀度都使运动员的技术发挥受到限制（图１）。1900年巴黎奥运会的跑道是林场中的一片草地，脚下的绵软和滑动使这种“草上飞”很难创造出好成绩（图２）。1904年圣路易奥运会的华盛顿大学体育场铺设了第一个煤渣跑道，透水性和摩擦力均得到改善。此后一直到60年代，跑道材料基本沿袭了煤渣与泥沙、石灰混合的“配方”，但疏松的地面影响后蹬的反弹力，而且一场激烈比赛后，跑道往往被践踏得千疮百孔、如同犁过的田垄。最不堪遇到雨天，运动员简直成了“玩泥巴的孩子”。平整和维护跑道历来是体育场管理工作的沉重劳动（图３）。

（２）1900年巴黎奥运会在草地上赛跑

（３）1948年伦敦奥运会田径跑道

人类的百米成绩第一次跑进10秒，是在1968年墨西哥奥运会上。固然高原空气的稀薄有利于提高成绩，但吉姆.海因斯创造出9.95秒世界纪录的最重要原因，却是大学城综合体育场首次铺设的塑胶跑道。从此奥运田径史发生了“改天换地”的变化。塑胶跑道也称“塔当”跑道，由聚氨酯材料制成。1937年德国化学家拜尔（图４）发现异氰酸酯与氢的聚合反应，从此将聚氨酯引进了现代化学工业。这种合成材料的许多性能优于天然橡胶和塑料，无论强力、硬度、弹性的可调范围都更宽泛，一时成为建筑界的新宠。1961年，美国明尼苏达的3M公司铺设了第一条200米聚氨酯跑道，不过那是为赛马使用的。1963年聚氨酯跑道开始用于田径比赛并立刻引起各国重视，国际奥委会很快正式承认了这一“新生事物”，墨西哥奥运会之后，塑胶跑道便成为国际田径比赛必备的基本设施了（图５）。

（４）德国化学家拜尔

（５）塑胶跑道结构和正贴胶海绵乒乓球拍相似

塑胶跑道的厚度约13厘米，结构很像一块正胶海绵乒乓球拍。跑道平坦坚实的地基如同乒乓球拍的底版，中间的塑胶层如同海绵，表面的摩擦层则相当于乒乓球拍上的胶粒。运动员奔跑在这种大面积的“海绵拍”上，脚步落地时能有效减少震荡，向后蹬伸时能获得地面形变势能所回授的推力，因此大大增加了奔跑的效率。跑道表面的坚牢、平坦、均匀也有利于定型化技术动作的充分发挥，这便是除了短跑、跨栏、中长跑外，所有和助跑有关的项目如跳高、跳远、标枪等成绩全都因塑胶跑道的问世而“水涨船高”的原因。此外，塑胶跑道不论冬夏和晴雨都“本性不改”的全天候优势，耐磨、耐油、耐辐射的可贵品质，令人悦目赏心、精神振奋的鲜艳色彩，运动员不慎摔倒后的安全程度，都是任何其他跑道所不能比拟的。今天塑胶跑道的生产和铺设技术不断改进，全塑型、混合型、颗粒型、卷材型百花齐放、争荣并茂，已经从大型体育场馆一直铺设到了小学校的操场。

（６）田坛巨星欧文斯从自己挖掘的“起跑穴”起跑

田坛巨星欧文斯在1936年柏林奥运会百米赛中创造10.3秒的世界纪录时，是从自己挖掘的“起跑穴”里腾跃而出的（图６）。当年的运动员比赛前人手一把铁铲，在起跑处的煤渣地上匆忙挖好两个坑，以便安顿自己的双脚，于是“挖坑水平”也成了田径技术的组成部分。“起跑穴”不仅形貌参差，而且脚掌塞进坑里后处于地平面以下，起跑时很容易刮住脚尖影响成绩。1927年美国教练布雷斯纳汉发明起跑器，直到1937年才被国际田联认可。今天的起跑器不但牢固舒适，而且便于调节距离和角度，运动员“蹲踞”其上，身体如同蓄势待发的压缩弹簧，能在最短时间里摆脱静止状态获得最大初速度。起跑器上和发令枪联动的传感装置计时精度达到了千分之一秒。

打从1920年安特卫普奥运会使用第一个周长为400米的跑道后，这种两头圆，中间直的“曲别针”模式便延续下来。运动员在直道上奔跑时，由于方向不变，每次蹬腿所用的力都对原来速度有叠加效果，能达到自身速度的最大值，身体也只须向前方倾斜。弯道上奔跑的轨迹是一个圆弧，速度的方向在不断变化，事实上，身体每次腾空后都会沿切线方向飞出，摆动腿落地后才能再度改变方向，这种由许多“线段”连成的“弧”颇似一条“割圆”的折线。向心加速度的产生必须有向心力的作用，运动员跑弯道的向心力来自身体内倾时所受重力与支撑力的合力，它和速度的方向垂直并指向圆心，维持着和惯性离心力的动态平衡。向心力与速度的平方成正比，与圆弧的曲率半径成反比，因此跑得越快，拐得越急，身体倾斜角度就越大，也越会影响奔跑速度的发挥。首届雅典奥运会细长的U形跑道就因为曲线太陡而不利于竞赛。需要了解的是，身体在弯道上的内倾是指整个身体轴线的角度，而并不能靠着上体向内歪扭。今天标准的环形跑道修建时要求有向内千分之一的倾斜度，先进的室内田径场还出现液压装置调节弯道的坡度，都是为了更好适应跑弯道时身体的姿态（图７）。

（７）图组:运动员跑弯道时身体内倾

百年间，各国专家做过多种试验和比较，创造出蓝曲式、三圆心式，尖圆式等跑道，目前国际上公认半圆式为最好，标准的400米跑道有3种规格，内突沿半径分别为36米、36.5米和37.898米。半径小的跑道曲率大，但直道部分所占的比例也大，可谓“失之东隅，收之桑榆”了。弯道上起跑时，起跑器都安装在跑道右侧，中心位置正对弯道切点方向，便是为了给运动员提供起跑后的最大直线距离。

2004年雅典奥运会女子4×100米接力赛中，实力强大的美国队因跑第三棒的威廉姆斯起跑过快,使第二棒琼斯追赶不上而传棒失败。接力赛是短跑中必须靠集体力量和团队精神取胜的项目，具有极高的技术含量。

两辆并行的汽车如果速度相同，上面乘坐的人便能够轻易的互相传递东西，每秒10多公里运行的宇宙飞行器只要彼此相对速度为零就可以在太空对接，田径场上接力赛的每条跑道上都划出了20米的接力区，前面还有5米的预跑区，接力赛的基本要领应该是，传棒运动员跑速不下降而接棒运动员已经接近发挥出最高速度时，两人在接力区内迅速、准确、平稳地完成传接动作。这就要求接棒运动员参照标志线不失时机地起跑，当双方距离逐渐缩短，彼此都处于最高速度又达到同步速度的瞬间“一蹴而就”。此时两位运动员前后应相距大约1.5米，靠着身高臂长与配合默契赢得1.5至2米的“获益距离”，所谓“获益距离”指的是传接棒动作时身体重心相隔的最大水平距离，3个接力区累计起来相当于整个团队少跑5至6米，这对于百分之一秒决胜负的世界级大赛，其意义不言自明。

一个让人们熟视无睹却又难以回答的现象是，为什么我们在田径场上总是沿着逆时针方向跑？诚然这是国际田联做出的规定，但事实证明逆时针跑确实更加自然并且成绩胜过顺时针跑。有人说因为人的心脏靠左，有人说因为右腿比左腿更占优势，还有人认为我们的观看和阅读习惯是从左到右，甚至有人拿宏观尺度上地球自转产生的科里奥利力来解释，显然都牵强附会不能令人信服。且不说滑冰、自行车和纳斯卡汽车赛，就说日常生活中游艺场的旋转木马和宾馆的旋转门，乃至农村推碾拉磨，家里打扑克搓麻将也不约而同按逆时针方向运动，而在使用卷笔刀和打蛋器时却又习惯于顺时针方向。我们不禁陷入辽阔的遐想，从氨基酸的“手性”到牵牛花的生长，从龙卷风的发生到行星的自转和公转，旋转是大自然万事万物基本的运动方式，至于运动员为什么按逆时针方向奔跑，我们只能老老实实回答不知道，高傲的现代科学也许为回答不了如此简单的问题而尴尬，但“强作解人”并非科学的态度。也许这一现象根本没有什么道理，也许毕竟应该有点道理，也许真正原因深藏在我们进化的历史中？看来这个问题只能“立此存照”并有待继续思考和探究了。