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奧運科學

摘自《奧運中的科技之光》,趙致真著。經趙致真先生授權,科學松鼠會網絡發布,轉載自:科學松鼠會[]

“作為高效率的“能量轉換器”,弓能夠把70%至80%的彈性勢能轉化為箭的動能,“剩余”的能量則變成弓的阻尼震動。”

射箭的弦外之音

白、黑、藍、紅、黃,這些五色相間的同心圓便是射箭競技場上的“眾矢之的”。箭靶的直徑為122厘米,稱為“牛眼”的靶心直徑僅12.2厘米。運動員要從90米開外射中10環,相當於站在足球場壹個球門去射中對面球門裏的壹只蘋果。或者說,整個靶子的大小看上去就像眼前的壹枚圖釘。要想做到“百步穿楊”、箭無虛發,的確不是件容易的事。

世界上很難找到壹個民族,歷史上從來不使用弓箭。丘比特的“金箭”和“鉛箭”管轄著天上人間的愛情,羅賓漢靠“神箭”劫富濟貧,後羿則“箭射九日”改造“生態環境”,東西方有多少神話與傳說都和弓箭有關。在“熱兵器”問世前的漫長歲月裏,弓箭壹直是最具威力的軍事裝備。從狩獵工具到戰爭武器再到體育運動,弓箭在人類文明中的角色發生了根本變化。

1908年倫敦奧運會女子射箭比賽

1900年巴黎奧運會上,射箭已經是“老資格”的體育競賽項目,舊式的長弓儀態優雅,並成為女子進入現代奧運會的先聲。由於各主辦國沒有統壹的競賽規則,致使射箭運動從1920年安特衛普奧運會後被取消資格。應該深深感謝英吉.布瑞斯女士,在這位唯壹的國際單項體育聯合會女性主席領導下,國際箭聯經過不懈努力,終於使射箭運動在1972年重返奧運大家庭。美國男子隊曾在亞特蘭大奧運會上囊括了個人和團體冠軍,明星射手麥金尼被譽為箭壇的“常青樹”;“東方箭霸”韓國的“夢之隊”也在奧運會上盡領風騷,人稱“射箭機器”的金水寧壹度成為世界女子箭壇的領軍人物。中國姑娘何影和她的夥伴們在2001年第41屆世錦賽上首次贏得了女子團體冠軍。

在射擊運動中,子彈的飛行靠火藥或壓縮氣體推動。射箭的壹切力量則完全來自人的體能。今天奧運會使用的反曲弓仍是傳統弓箭的“嫡親子孫”,由剛性的弓柄、彈性的上下弓片和堅韌的弓弦連接而成。在運動員持弓臂和拉弓臂的作用下,弓弦上的張力使弓片外側產生拉伸形變,內側產生壓縮形變,從而帶來弓片的彎曲,將肌肉收縮的力量變成弓的彈性勢能貯存起來,然後突然釋放推動箭的飛行。弓實際上是壹個能量轉換器,把人的生理能量轉化為箭的動能。在弓片彎曲過程中,各截面承受的力矩是不同的,離弓柄越遠應力就越小,這也是反曲弓將弓梢設計成“反曲”形的原因。

古人已經深諳“挽弓當挽強”的道理。射箭比賽中男選手開弓的平均力量約50磅,女選手約35磅,壹次常規的世錦賽,需要在4天雙局中搭弓射箭288次,男選手用力累計將近8噸,女選手超過5噸。而壹個舉重運動員壹次比賽不過累計舉起1.5噸。可見射箭是多麽沈重的“力氣活”。更加艱巨的是,射箭選手大部分時間處於“引而不發,躍如也”的狀態,對弓箭系統的水平支撐力和對身體站立的垂直支撐力構成“十字形”用力結構,“端身如幹,直臂如枝”,這種高水準的“靜力平衡”實在非壹日之功。

射箭瞄準之所以比射擊瞄準難度更大,還由於弓上只有準星,而沒有“照門”,因此無法像槍支那樣找到現成的“瞄準基線”。假設我們以靶心為原點作水平方向X軸和豎直方向的Y軸,當靶心、準星、弓弦邊緣和眼睛處於同壹條直線時,箭飛行方向的豎直平面應該和“弓平面”壹致,並與靶上的Y軸重合,使射出的箭向Y軸集中。那麽,又該如何確保射出的箭向靶上的X軸靠攏呢?

當運動員每次拉弓時,都會把扣弦手指放在下頜骨右側精確的位置上,有些射手在弓弦上安放壹個小小的“吻鈕”,通過嘴唇對它“每箭壹吻”,讓弓弦“靠”住鼻準、人中、下巴的中點,這種“靠弦法”確保了從箭尾槽到瞄準眼之間有壹個固定的“靠弦距”,於是瞄準線通過弓弦的壹點便成了弓上的第二個“基準”。箭射出去的高低上下就便於控制了。

確保用力的直線性是射箭技術的要領之壹。推弓合力點、鉤弦點、拉弓臂肘關節中心點應該在壹條直線上。運動員持功時不能用全掌“握弓”而用虎口“推弓”,便是為了盡量確保手和弓之間近似的“點接觸”而不是寬大的“面接觸”。

反曲弓

壹個看上去並不起眼的小零件叫做“信號片”,卻稱得起射箭運動歷史上具有重大意義的發明。這是弓柄上用來壓住箭桿的壹只鋼片,當射手拉弓到位時箭頭滑出,鋼片便在回彈中敲擊弓柄發出清脆“劈啪”聲。信號片能準確“監視”運動員每次拉弓深淺不變,確保弓臂保持相同張力,不啻以“聲控操作”捕捉“最佳撒放時間”。射箭運動中最講究動作的壹致性,每個選手經過千錘百煉形成的技術必須高度固定化、程序化,像機器壹樣準確無誤和循環重復,任何時候都不走樣和變形。

人們常用“離弦之箭”形容速度之快。反曲弓射出的箭初速度約每小時240公裏,超過了“子彈頭列車”。箭的速度取決於弓的力量和效率,箭的形狀、重量和表面積。用不同方式粘成的箭羽能使箭繞縱軸旋轉並確保飛行穩定。作為長度和直徑比很大的飛行體,來自弓弦的加速度會使箭桿產生柔性彎曲和彈性震動,降低飛行穩定性。不過和射擊相比,箭的“行動”就太遲緩了,速度只是子彈的十分之壹,需要大約1秒鐘才能達到70米開外的射程。如果初速度方向正對靶心作“平拋運動”,由於地球的引力作用,箭到達靶位時會下落將近5米。因此射箭必須有壹個“仰角”,讓箭作“斜拋運動”,使“彈道”成為壹個拱起的拋物線。難怪箭靶的放置都和地面垂直方向成15度角,以“仰視”的姿態去面對“萬箭穿心”了。順便壹提,當今箭靶將盤卷的草繩縫合起來再蒙上靶紙,用的還是當年諸葛亮“草船借箭”的材料。

箭靶和垂直方向成15度角

作為高效率的“能量轉換器”,弓能夠把70%至80%的彈性勢能轉化為箭的動能,“剩余”的能量則變成弓的阻尼震動。根據科學史專家研究,人類早期弦樂器的出現就是受了弓弦震動能發出聲音的啟示。至於彈棉花的弓就更壹望而知是“其來有自”了。安裝在反曲弓上這些錯雜的棍棒叫做“減震器”,就是為了增加弓的靜止慣性和轉動慣量,從而減少撒放時弓體的位移和震動。並且達到“配重”效果,讓弓箭系統的質量中心更靠近推弓點以保持平衡。

復合弓

1995年在雅加達舉行的第38屆射箭世錦賽上,歷盡艱辛坎坷的復合弓終於被國際箭聯批準為正式比賽項目。這是1969年由美國人艾倫發明的真正意義上的“現代弓”,它的“創新”之處卻恰恰是把人類兩項最“古老”的發明輪子和弓箭結合到了壹起。復合弓在上下弓片末端安裝了偏心輪,利用動滑輪的杠桿原理,使開弓力量達到最大值後,隨著拉距增加反而變得越來越“省勁”,滿弓時用力可減輕70%。這不僅使運動員能在更輕松舒適的狀態下持弓瞄準,也使女子可以跨越體力的鴻溝,和男子壹樣使用“硬弓”。

比較壹下反曲弓的張力曲線,由於和拉距的增加成正比,撒放時弓弦作用於箭的力量是突然的和遞減的。而復合弓對箭的加速力量則從小到大,漸次趨向峰值,有效工作距離也相應延長,因而能使箭的離弦速度更快,飛行彈道更平直。此外,復合弓不再用三個手指勾弦撒放而是“扣動扳機”讓“撒放器”代勞,光學瞄準器和氣泡水平儀的使用更極大提高了箭射出的精度。復合弓處處凝結著科學的智慧,近年來迅速風靡全球,銷售額已經占據世界弓箭市場的90%以上,成為弓箭家族最興旺的“主流”。盡管奧運會至今仍沒有接納復合弓為正式比賽項目,但2008年在北京舉行的第13屆殘奧會已經向復合弓首次亮起了綠燈。

更多形形色色的射箭比賽每年都在全球各地蓬勃開展,射遠比賽每組射6支箭以最佳成績為準,手持弓的世界紀錄達到1220米;地靶比賽以地面上豎起的標桿為圓心畫出15米直徑的大靶,選手們從百米開外射出36箭決定勝負。騎馬射箭仍是不少民族喜愛的傳統競賽項目,滑雪射箭正式進入冬奧會則已成定局,在爭榮並茂的現代體育之林中,射箭運動旺盛的生命力正與日俱增。

從古老作坊的能工巧匠到現代企業的高科技設備,從竹片、牛角、木桿到鋁合金、玻璃鋼和碳纖維,人類幾千年來壹直沒有停止過制造弓箭。我們也許不免陷入對往昔的懷舊和對文明的追尋。弓箭來自我們原始的祖先,並將傳給遙遠的子孫。