Nature Physics | 体育运动中的物理学及运动表现

突出体育运动中取得最大成功的三个关键要素——运动、设备、技术——的一个典型例子是硬地滚球。硬地滚球的目标是使球尽可能靠近先抛出的白球。根据比赛的级别，坐在轮椅上的运动员用手或脚打球（下图），并在有或没有专门的运动助理或各种不同工具的帮助的情况下进行比赛。

仅对运动的研究已经涉及不同尺度的许多物理方面，包括驱动肌肉收缩的分子马达、肌肉的动态特性以及高速投掷时弹性的作用。最近发表在《自然物理学》（Nature Physics）上的一篇文章讨论了水力效应在收缩肌肉纤维动力学中的潜在作用。该研究报告了一个多尺度模型，该模型将肌肉描述为一个充满液体的活性海绵，并表明主动液压装置限制了自发肌肉收缩的速率[1]。

受未穿鞋耐力跑者表现的启发，赤足跑步者和穿鞋耐力跑者之间的比较研究强调了脚如何着地的差异。例如，当习惯性地不穿鞋跑步时，碰撞力较小，因此降低了与冲击相关的伤害风险[2]。通过建模，可以估计鞋子的特性如何影响跑步性能，这可能有助于确定鞋子的最佳材料[3]。

材料科学和工程在体育运动中都发挥着重要作用。例如，一双合适的鞋子、高度优化的假肢装置或赛车轮椅可以提高跑步者在奥运会或残奥会田径比赛中的能力。在 2023 年柏林马拉松赛上，女子组的冠军在穿着全新赛车鞋型号时将之前的纪录缩小了两分多钟，这重新引发了关于高科技设备在体育运动中的作用的辩论。2008 年奥运会后，全身泳衣被确定为穿着者提供了不公平的优势，因为它增加了水中的浮力，同时减少了阻力；因此，该模型和其他变体在 2010 年被禁止。

滑板是奥运会上最近推出的项目之一，在这方面，材料也会对性能产生影响。木材是一种很好的甲板材料，因为它能够减少冲击，今天的聚氨酯轮子比早期板的轮子具有更好的抓地力，并且比早期板的轮子更耐用，这些轮子是由钢或粘土制成的。正如 Daryl Chrzan 所说，“材料科学使滑板运动免于成为一种时尚。最具标志性的技巧之一涉及在半空中旋转两个半圈，似乎无视万有引力定律。但事实并非如此：当开始旋转时，滑冰者会让自己变得更小，角动量守恒使他们能够更快地旋转并在重力接管之前完成更多旋转。

在观看奥运会和残奥会场地自行车比赛时，运动员的自行车在陡峭的赛车场壁上以越来越快的速度移动，同时继续倾斜，这可能会给观众留下运动员不受物理定律约束的印象。但这一切都归结为让骑行者保持在赛道上的向心力。了解作用在其中的力、能量和功可以提高技术水平，从而提高表现，还可以防止受伤。

对这些物理概念的基本理解对业余爱好者很有帮助，但专业运动员可以从更复杂的研究中得到启发。例如，对人体模型周围流动的测量揭示了阻力在场地自行车中的作用[4]，数学建模预测了最优的起搏策略，以排在第一位[5]。除了以速度为重点的运动之外，建模还可能用于整理技巧，例如，在奥运会杂技或艺术体操比赛中，以充分利用运动员的能力。

某些动作背后的物理原理为执行这些动作的运动员提供了几乎无与伦比的优势。在羽毛球比赛中，最近推出的旋转发球，即球员在羽毛球上增加旋转，在巴黎夏季残奥会结束之前已被禁止。像其他非法服务一样，此举几乎不可能被重新采纳。

另一个难以击败的举动的例子来自美式橄榄球（非奥林匹克项目）。在费城老鹰队的标志性动作中，四分卫被推过一码或更短的时间，经常越过球门线得分。美国国家橄榄球联盟（National Football League）已经考虑禁止这种特定比赛，但2024赛季的情况并非如此。尼尔·德格拉斯·泰森（Neil deGrasse Tyson）解释了为什么它几乎总是成功的。

物理学和其他科学学科可以为运动员提供成功所需的优势。

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▼参考资料

[1] Shankar, S. & Mahadevan, L. Nat. Phys. https://doi.org/10.1038/s41567-024-02540-x (2024).

[2] Lieberman, D. E. et al. Nature 463, 531–535 (2010).

[3] Fay, S. C. & Hosoi, A. E. J. Biomech Eng. 146, 041004 (2024).

[4] Crouch, T. N., Burton, D., Brown, N. A. T., Thompson, M. C. & Sheridan, J. J. Fluid Mech. 748, 5–35 (2014).

[5] Underwood, L. & Jermy, M. Sports Eng. 17, 183–196 (2014).