体育器材中先进材料的使用对竞技体育发展的影响

梁利平

(晋中学院 体育学院, 山西 晋中 030600)

体育器材中先进材料的使用对竞技体育发展的影响

梁利平

(晋中学院 体育学院, 山西 晋中 030600)

当今科技的快速发展，一大批复合材料和高分子材料应运而生。这些先进材料被广泛运用于体育器材当中，不仅提高了体育器材的性能，而且还提高了运动员的竞赛成绩。本文通过分析体育器材设计理念，主要探讨了体育器材的设计、先进材料在各种体育器材中的使用，并且阐述了这些先进材料的使用对竞技体育发展的相关影响。

体育器材；先进材料；竞技体育

体育器材是一种在受负荷身体中的关节、韧带及组织上，尝试着应用力学以及机械原理，使材料更易于舒适的被使用的设计。为了保证运动员的安全，提高成绩，体育器材的最佳设计包含了材料科学、机械设计学、力学原理等许多学科的知识。因此，在对体育器材进行设计时，不仅要充分考虑材料本身的特性如：强度、密度、延展性、韧度、减震性等，还需考虑这些材料的安全性，以及是否会对运动员造成伤害等。

一、新材料在运动鞋上的应用

在各项体育运动中，运动鞋的新科技都无处不在，它们不仅保护着运动者的健康和安全，而且对运动结果起着决定性的作用。如：在田径运动中，运动鞋对运动员的比赛成绩影响很大。对于运动鞋上的鞋钉来说，并没有规定鞋钉的位置和重量情况，但是对于长度、数量以及鞋钉的直径等具有明确的要求。根据科学试验、研究表明，运动员每迈出一步，脚承受的重量将是体重的3倍。如果跑鞋的重量每增加100克，就会多消耗运动员1%的体能，尤其是对于100米的短跑比赛来说，钉鞋的重量对于比赛的结果就至关重要，因此，就要科学合理的设计鞋钉的位置以及相关形状。

其次，除了球员本身，这些充满科技含量的运动鞋，也一直是运动场上最亮丽的风景线。adidas的“奇钉”设计理念带来了足球鞋鞋底设计的革命，puma将自己的cell减震技术嵌入到为皮雷设计的球鞋中，nike、 diadora更是将这种符合人体工程力学的设计发展到极致。nike首先往足球鞋中引入减震科技zoom，以减震胶的形式出现在鞋垫的前、后掌上。此外，猎鹰系列非常著名的power pulse技术，用来增强对皮球的摩擦。刺客、total 90等系列鞋身表面有一层亮物质，用来快速锁定足球。运用技术使得足部与足球之间的材料减少，提升触球感，在高速运球时非常关键。而动态贴合高帮鞋领带来了更出色的贴合感，使外形轮廓大为改观，提升了球鞋成为足部延展的感觉。mercurial superfly 中其它重要的突破性技术还包括布里奥缆线，这些缆线被直接织入鞋面，然后通过锁眼孔连接到外底。这种肌腱般的支撑一直延续到脚后跟，因此这款球靴如“弹弓”原理一样给球员向前的推力，而且还采用了更具柔韧性的新型全掌碳纤维底盘，有助于球员从地面获取更有效的反作用力。

二、新材料在泳装上的应用

很早之前，经过研究，荷兰专家发现穿泳衣游泳比不穿泳衣游泳的阻力要大。这个结果表明在比赛中裸体游泳不是一个很好的策略。1972年慕尼黑奥运会，出现了一款毛线游泳衣。1974年，为了提高泳衣的性能，美国的杜邦公司应用了一种具有双向伸缩功能的材料。

1988年出现了第一代高科技泳衣，美国队为了减轻泳衣的重量，采用了聚氨酯纤维和超细尼龙纤维的材质，制造成了“大力士”泳衣，引起了人们的广泛关注和热烈讨论，其双向伸缩性和整体平滑度都达到几乎完美的程度。在汉城奥运会上，美国游泳名将马特比昂迪在“大力士”的帮助下，打破50米自由泳的世界纪录，收获5金、1银、1铜；并且，在4×200米自由泳接力、4×100米自由泳、混合泳接力等项目上，美国队也打破了世界纪录。从这以后，在舆论界与体育界，这种泳衣被称为零阻力泳衣。随着科技的不断发展，为了能让水流沿着身体的表面进行流动，新型材料也在不断的涌现，人们利用新材料制作出来的泳衣，不但能增强身体的凹凸性成为游泳衣的一个新的发展方向，还极大的防止水进入运动员的游泳衣之内，即使是水进入泳衣之内，也能很快的将其有效排出。此外，这样也可以让运动员的身体表现出优美的流线型。

2000年，速比涛公司模仿鲨鱼的皮肤仿生学原理制，制造出了“鲨鱼皮”(Fast Skin)泳衣，是第一款能够包裹运动员全身的泳衣。鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶可以使身体周围的水流更高效地流过，大大减少水流的摩擦力，从而能够快速的游动。根据这个原理，在运动员向后划水时，鲨鱼皮泳衣能够提供动力，在接缝处模仿人类的肌腱；同时，基于激光测量运动人员身体状况数据，泳衣用不亲水的特氟纶纤维精心制造，进行了三维设计，严实包裹运动人员颈部到手腕、脚踝；不仅如此，这种泳衣还模仿了人类的皮肤，布料富有弹性。实验表明，在选手游泳时，这种泳衣可以减少3%的水阻力，从而使选手在千分之一秒的时间中能够获胜。

三、在自行车上的使用

1989年，为了改进自行车的性能，人们把空气力学和先进的材料结合起来，极大地减少了空气阻力。如：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，这极大的减少了自行车在运动中受到空气的阻力。近年来，在许许多多方面，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(例如杠杆式刹车、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为修改过的空间骨架，拥有一个钻石形骨架。钻石形骨架及交替结构型抗张力、压力、折力和扭曲压力，就像我们在桥梁起重机等上面发现的一样。材料需要拥有较高的独特的单位强度，可以简化为追求悬臂梁的最小折曲力。因此，根据各材料的特性数据，碳钎维则为最佳材料，铝、镁和钛则次之，但是这样费用较高。而钢(处在其它材料不太远的位置)的费用较低，是应该选择的材料。

目前，人们也开始研究、生产混合骨架，例如将铁与强化碳钎维混合物。1964年在奥运会400米追逐赛上，Dales用了5分5秒赢了。1992年在同样的奥运比赛中，博斯德曼用了3分22秒。例如，著名的环法自行车比赛选手的历年平均速度表明，碳纤维运用在自行车中能够极大的提升运动员的竞技成绩。

由此可见，先进材料在自行车中的运用能够极大的提升运动员的比赛水平。

四、先进材料在网球运动中的使用

网球运动是世界上一项非常受欢迎的运动，但是在将近30年前，网球球拍还是木质的，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。20世纪60年代末，混合材料的球拍占据着主导地位，网球拍逐渐开始采用钢或铝制的金属混合框架，不但提高了球速，而且减缓了威胁性的振动。

目前，网球拍主要用铝、钢、镁、钛、金属母岩混合物制成的。但是，在传递给球更大的力量上，由于强化碳钎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。改进后，内核部分常常是注射进去的聚氨醋泡沫成巢状构造，球拍柄由数层强化纤维包围着一个软的内核组成。

另外， FR纤维会对球拍占城更大的减缓振颤的作用，能够产生更大的硬度。wilson·ffk就是一个网球拍艺术的典范，它是由一个聚氨酯内核、84%的石墨和4%的FR(一种纯的氧化铝陶瓷)、12%的凯维拉斯构成的纤维。石墨提供需要的强度及硬度，在球撞击“甜点”的外区域时，可以帮助防止球拍头部扭转减少球拍头部的偏斜，可以帮助减缓振颤，扭转凯维拉斯纤维导致增大强度及使用寿命。

五、先进材料在撑杆跳中的使用

20世纪50年代末期，随着材料科学的飞速发展，撑杆记录迎来了新的契机。如：在1896年的雅典奥运会上，使用竹竿的撑杆跳的高度是十英尺六英寸。复合材料首先被运用到体育项目上，经过高温定型后，被编织成圆筒的玻璃纤维与有机树脂粘合被制造成玻璃纤维复合杆，它重量轻且经久耐用，可承受的强力大，弹性好，成了撑高跳高运动员得心应手的武器。在助跑结束插入斜穴时，使用这种玻璃钢撑杆，运动员能将快速向前的动能转换为撑杆的弹性变形能。同时，当撑杆被压弯到最大限度后，帮助运动员腾空而飞跃横杆，向上释放出这部分弹性变形能而转换为运动员的势能。

利用这种新武器，1960年，美国运动员打破了“人的体力不能超过4.87m的极限”的神话，一举飞过了4.98m的高度。到了1962年，尤尔赛斯成绩提高了11cm，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26cm。60年代和70年代20年中，凭借这一技术优势，美国人垄断了撑杆跳高项目的最好成绩，始终占据绝对实力。直到80年代，撑杆跳的优势开始转向欧洲，多种高性能纤维应用于复合材料撑杆上。如：1985年利用新型碳纤维撑杆，前苏联选手布勃卡首破6m大关。

实质上，为了能在接近极限区域中创造更好的成绩，具有新的突破，在当今世界的体育竞争中，科学技术的竞争是极其重要的。先进的材料是提高体育科学技术水平重要条件之一。目前，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到了各种高技术、新材料。而世界级的撑杆跳就是选用了一个高精度的混合物撑竿，一次次刷新了世界纪录。

六、现代新材料在体育场场地中的使用及影响

众所周知，对比赛结果的另一个重要的影响因素就是体育场地设施表面的辅设材料，在一定程度上，这些材料会影响运动员的竞赛成绩，影响运动员的生物力学特征，还会给运动员带来舒适感。

1.在进行运动时，运动员身体肌肉状态会不断的发力和收缩，会给身体的某个部位或者是肌肉带来冲击力，从而对运动员造成伤害。因此，竞技体育比赛中对于地面与地板的相关性能在这方面的要求是非常的严格的。目前，在体育比赛的地面与地板之中，一种大小和米粒一样、新型的橡胶碎片涂料地板被广泛的应用，这种橡胶碎片制成的地板具有较好的弹性、柔软性和缓冲性，这在一定程度上能够减少地面对运动员脚、踝以及膝关节等部位的冲击，极大的保护了运动员的身体。此外，这种地板结构具有空气弹力层和伸缩性，这起到了一定的消音作用，在体育比赛过程中地板基本不会产生震动。

2.竞技体育追求更高、更快和更强的目标。在竞技体育的发展历程中，每位体育工作者都希望改变设施材料来提高运动员的成绩。现在的塑胶跑道比原来的跑道更具弹性，都是采用高分子化学合成材料来铺设的。塑胶跑道的一个优点就是能够提高运动员的蹬地力量，进而加快步频，这样就能够让运动员保证膝盖的高抬位置，加大步幅，从而提高运动员的比赛成绩。

七、结语

当今科技的快速发展，一大批复合材料和高分子材料应用而生。这些先进的材料被广泛的运用于体育器材当中，不仅提高了体育器材的性能，而且还提高了运动员的竞赛成绩，同时也对竞技体育的发展起到了推动作用。

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