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【摘要】 东京奥运会男子跳高冠军跳过了 2.37 米,男子撑杆跳高冠军跳过了 6.02 米。 而现在的男子撑杆跳高世界记录是 6.18 米,也是尘封了近 30 年的男子跳高世界纪录 2.4......

东京奥运会男子跳高冠军跳过了 2.37 米,男子撑杆跳高冠军跳过了 6.02 米。

而现在的男子撑杆跳高世界记录是 6.18 米,也是尘封了近 30 年的男子跳高世界纪录 2.45 米的 2.5 倍!

东京奥运会男子撑杆跳高冠军瑞典选手阿曼德 · 杜普兰蒂斯,也是目前的世界记录保持者

(图片来源:东京奥运会官方网站)

仅仅借助于一根撑杆,为什么就可以跳得那么高?

成也撑杆,败也撑杆

远古时代,人们利用一根木杆,跨过溪流、越过高墙、腾上马背,并逐渐把撑杆跳演化成一种体育运动。撑杆跳高早在 1896 年第一届奥运会就被列入正式比赛项目。

纵观百年奥运历史,没有哪个田径项目能像撑杆跳高那样,世界纪录提升的幅度如此巨大:从最初的 3.3 米到去年的 6.18 米,提高了将近一倍!

这其中的主要奥秘在于那根撑杆。

撑杆跳高的纪录是随着撑杆材料的演变而不断提升的。撑杆材料发展大致经历了木质杆、竹质杆、金属杆和复合材料杆(包括玻璃纤维 GFRP,碳纤维 CFRP,Kevlar 纤维 KFRP 等)4 个阶段。世界纪录也从实心木杆的 3.3 米,提升到空心竹竿的 4.77 米,空心金属撑杆的 4.8 米,玻璃纤维及碳纤维撑杆的 6.18 米。

撑杆材料演变与世界纪录强相关,玻璃纤维、碳纤维等复合材料撑杆的出现,为撑杆跳高运动带来新的飞跃

(图片来源:https://ffden-2.phys.uaf.edu/211_fall2002.web.dir/Daniel_Lenord/vault.html)

借助于撑杆的 " 倍增器 " 效应,撑杆跳高成为破纪录最频繁的运动之一。

有着撑杆跳高 " 沙皇 " 之称的布勃卡,从 1983 年到 1997 年连续 6 次夺得世锦赛冠军,35 次创造世界纪录,在世界撑杆跳高领域称霸 15 年。无独有偶,从 1998 到 2013 年长达 15 年时间里,伊辛巴耶娃几乎统治了整个女子撑杆跳高比赛,28 次破世界记录。优秀的运动员借助于撑杆技术的革命,结合完美技巧最大限度地延伸了身体的功能,并部分弥补了因年龄增长而带来的身体机能退化,从而催生了撑杆跳高运动的常青树,演绎了 " 一厘米先生 " 和 " 一厘米女王 " 精彩故事 (每次将世界纪录提高 1 厘米)。

伊辛巴耶娃在比赛中(图片来源:法新社)

也正是源于对撑杆的依赖,撑杆跳高也是出现事故最多的运动之一。据不完全统计,进入 21 世纪以来,撑杆跳高运动发生了 30 多起灾难性的伤害。除了落地意外受伤外,撑杆折断对运动员而言也是噩梦般的危害。如何 " 弯而不折 ",是设计者在提升撑杆性能极限与确保运动员安全之间所必须面对的矛盾。

2012 年伦敦奥运赛场上的惊险一幕,古巴撑杆跳名将拉佐 - 博格斯在起跳的时候,撑杆突然断成三截

(图片来源:http://roll.sohu.com/20120810/n350353799.shtml)

撑杆:飞跃极限的 " 能量转换器 "

从撑杆跳高的过程中,我们很容易就会发现其中的能量转化问题:撑杆作为整个过程的 " 能量转换器 ",会将运动员的动能转化成撑杆的弹性变形能,随后撑杆变直并将存储的弹性变形能转化成运动员的势能,使其达到高点;再借助肌肉收缩做功完成最后的拉升,从而越过最高点。

撑杆跳高过程示意图(图片来源:https://blogs.mathworks.com/)

那么同样是撑杆,究竟是什么原因导致了 " 柔性 " 玻璃纤维撑杆要比 " 刚性 " 木杆的效果有了质的突破呢?接下来让我们将两代撑杆进行对比,看看其中力学原理的差别。

左为木杆插杆起跳示意图,右为玻璃纤维撑杆插杆起跳示意图

(图片来源:https://www.bilibili.com/video/BV1H4411B7i1?p=2)

在运动员插杆起跳过程中,撑杆首先插在穴斗中,运动员随后会弯曲撑杆并起跳。" 刚性 " 实心木杆由于抗弯刚度大,会像 " 跷跷板 " 一样 " 直挺挺 " 地将运动员送往高点,存储的弹性应变能低,并且对身体施加的力还很大。而设计成空心薄壁结构的 " 柔性 " 玻璃纤维撑杆由于抗弯刚度小,挠度大,转换成的弹性应变能高;并且弯曲后的撑杆可以减小力矩,这意味着运动员能够提高握杆点从而进一步增加最大高度。

我们知道抗弯刚度与撑杆的弹性模量以及惯性矩正相关,那可以通过减小木杆的直径来降低抗弯刚度吗?答案显然是不行的,因为还有一个限制因素就是木杆的强度低,易出现 " 弯却折 "。所以在这 " 百尺竿头 " 的发展中蕴含了力学原理的应用与材料科学的进步。

如何选择 " 弯而不折 " 的撑杆材料?

好的撑杆应尽可能多地将运动员冲刺跑的动能转变为能够存储的弹性势能。

(预警:以下进入专业模式!)

简单来说,弹性势能大小近似等于载荷 - 变形图中曲线围成的面积。如下图所示,在相同载荷下,越 " 软 "(弹性模量或变形刚度越小)的材料围成的面积越大,所存储的势能也越大,也就是说,弹性模量越小,给运动员提供的 " 支撑 " 就越大。

名词解释:对弹性体施加一个作用力(应力),弹性体会发生形状的改变(应变),单位应变所需应力的大小即为 " 弹性模量 "

载荷 - 变形图,三角形的面积代表撑杆储存的弹性势能(图片来源:作者提供)

对于撑杆而言,其弹性势能主要由弯曲变形引起,主要影响的力学参量为弯曲刚度 EI 和最大弯矩 M。若限定不同材料撑杆间几何尺寸相同,则对应材料的关键力学参数变为弹性模量 E 和弹性强度 σ。弹性强度是指弹性材料抵抗外力破坏作用的能力,也就是说,弹性强度越大,撑杆就越 " 结实 "。

但是,真实世界的材料却存在这样的矛盾:弹性模量越小的材料,弹性强度往往越低。

如下面的 Ashby 弯曲模量 - 强度图所示,不论天然材料还是人工合成的材料,主要分布在 Ashby 相图的对角线上两条蓝色虚线之间的区域,一般而言弹性模量与强度正相关(这里是相对的概念);图中左上方和右下方区域属于空白。

从 Ashby 相图看撑杆材料选择,横坐标为弯曲模量,纵坐标为强度

(图片来源:作者修改自参考文献 [ 1 ] )

而根据前面的分析,撑杆材料的选择与发展是尽量朝着红色箭头指向的左上方靠近,也就是弹性模量尽量小,弹性强度尽量大。这就需要材料设计中不断克服模量与强度的天然矛盾

在要求密度尽量低以保证轻量化设计的条件下,人们希望撑杆材料能够平衡弹性模量 E 与弹性强度 σ 的相对关系,使得弹性势能图中围成的面积尽可能的增大,做到 " 弯而不折 "!

表 1 典型撑杆材料性能

图表来源:参考文献 [ 5 ]

典型撑杆材料性能如表 1 所示。竹制撑杆弹性模量小但强度也较低,容易折断,可用下图中的材料 B 表示;金属撑杆虽然不易折断,但是弹性模量却相对较高,如材料 A 所示。综合考虑,二者弹性储能差别不大,这也体现在这两种材料的撑杆所创造的奥运纪录差距并不明显。

复合材料撑杆的出现在一定程度上突破了二者性能的制约 , 如图中 C 点所示,带来了更大的势能存储。

不同种撑杆材料最大弹性势能比较(图片来源:作者提供)

因此,现代的复合材料撑杆通常分为三层:外层是高强度的碳纤维增强环氧,中间层是玻璃纤维的带状织物,内层是环带状的玻璃纤维。这样的复合材料与结构,充分利用了碳纤维的轻质高强、玻璃纤维的相对低模高强的综合优势。

复合材料撑杆内部结构示意图(图片来源:参考文献 [ 1 ] )

Toward new horizons

上世纪四十年代,冯 · 卡门、钱学森等人撰写的《Toward New Horizons》(迈向新高度),阐明了 " 科学是掌握制空权的基础 " 观点,并把人类带入超声速飞行的时代。同样,科技变革体现在小小的撑杆上,也可能助力人类跳向更高的新天际。石墨烯等高性能纳米新材料的运用,也许会使撑杆跳高的成绩百尺竿头,更进一步。

图片来源:veer 图库

" 举杆冲刺、插杆起跳、杆上翻转、推杆落垫,运动员在空中划过一道美丽的弧线 ……"。一根撑杆蕴含着 " 更高、更快、更强 " 的奥运精神,是速度、力量、技巧三者在运动员与撑杆间的完美结合。撑杆跳高运动既是对人类身体极限的挑战,也是对材料性能极限的挑战。

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