科技之光

1994年7月31日，意大利塞斯特里爾田徑場，號稱“跳高沙皇”的烏克蘭運動員布勃卡“揭竿而起”，把自己的身體撐向藍天，一舉越過了6.14米橫桿。這是人類克服地球引力的凱歌，也是人類體育運動目前所達到的高度上限。在布勃卡時代，天下好手參加撐竿跳高比賽常常只有亞軍可爭了。

撐竿跳高究竟起源于何時已經(jīng)很難考證。在遠古的年代里，人們撐著一根木竿或長矛跨過溪流，越過短墻，騰上馬背......此后漸漸發(fā)展為一項體育運動。1789年，德國人普茨跳過了1.83米，這大約是歷史上第一個有案可考的撐竿跳高紀錄。

1896年的第一屆奧運會上，撐竿跳高就成為最引人入勝的正式比賽，不過屬于體操項目。當時使用的撐竿大多由山胡桃木制成。美國運動員威廉.霍亞特靠著這種沉重、堅硬、粗笨的實心木竿，創(chuàng)造了3.3米的世界紀錄（圖１）。

（１）在1896年雅典奧運會上美國運動員威廉.霍亞特（右）獲撐竿跳高第一名

幼年時代奧運會的滑稽故事在撐竿跳高項目中也不乏其例。1904年在美國圣路易舉辦的第3屆奧運會上，日本選手左間代.富士從容不迫把撐竿插到地上，然后以極其麻利的動作來了個“順竿爬”，直到高過橫桿時才輕松跳下。他的這種“雜技表演”不僅令觀眾目瞪口呆，也叫裁判不知所措。此后才制定了起跳后握竿雙手不能交替移動的“游戲規(guī)則”。

用竹竿取代木竿，是撐竿跳高歷史上的重大進步。竹竿更富有彈性，天然的中空結(jié)構(gòu)使撐竿的重量減輕有利于快速助跑。1908年倫敦奧運會上，美國耶魯大學學生吉爾伯特第一次使用竹竿跳過3.71米獲得冠軍（圖２）。他隨后從巴黎購買了大量竹竿行銷到美國各地。盛產(chǎn)上乘竹子的日本曾領(lǐng)盡風騷，洛杉磯奧運會上，日本選手西田修平僅以1厘米之差直逼霸主美國隊，柏林奧運會兩位日本運動員把獎牌切開再焊接成兩塊銀、銅各半獎牌，這類奇跡和軼事都發(fā)生在日本撐竿跳高的“輝煌時代”。而歷經(jīng)5年時間陰干和炮制的日本撐竿工藝也首屈一指，各國好手幾乎都把來自“竹鄉(xiāng)”上野、四國的日本撐竿視為珍稀的上選?！爸窀蜁r代”的世界紀錄上升到了4.77米。

第二次世界大戰(zhàn)沒有理睬古奧運會“神圣休戰(zhàn)”的原則，第12、13屆奧運會成為歷史上永遠的空白。作為交戰(zhàn)雙方，歐美國家從日本進口竹竿的渠道也完全阻斷。而苦難中的人類并沒有因戰(zhàn)爭而喪失撐竿跳高的興致，他們被迫另辟蹊徑，早在1920年代便有人嘗試的金屬撐竿開始備受青睞。

（２）吉爾伯特

和自然生長的竹竿相比，這種用瑞典鋼和鋁合金制成的空心撐竿更加輕便光潔，尺寸標準，堅牢柔韌，運動員可以更放心大膽加快助跑和提高握竿點而不用再擔心“折戟沉沙”。世界紀錄因此而提高到4.80米。

另外一項看似簡單卻功不可沒的發(fā)明，是插竿斗的使用。早期的撐竿為了防止打滑，都在末端安上一個或者一組粗大的鐵釘。1908年倫敦奧運會上，美國運動員吉爾伯特在撐竿的落地處挖了個坑，結(jié)果被視為犯規(guī)。直到1924年，木制的插竿斗才成為撐竿跳高的“標準配置”，從此運動員有了一個穩(wěn)定可靠的“支點”（圖３）。

（３）木制的插竿斗

1952年，當更輕、更韌、更富有彈性的玻璃纖維撐竿第一次在赫爾辛基奧運會出現(xiàn)時，誰也沒有預(yù)料到撐竿跳高將進入一個夢幻般的新時代。1961年美國運動員戴維斯創(chuàng)造了玻璃纖維撐竿的第一個世界紀錄4.83米。次年2月，約翰.尤爾西斯跳過4.89米。1964年弗萊德.漢森把世界紀錄提高到5.28米。短短幾年間，撐竿好手群雄競起你追我趕，世界紀錄墨跡未干便再被刷新，直到突破6米大關(guān)。和其他任何田徑項目相比，這種勢如破竹的“躍進”都是絕無僅有的（圖４）。

（４）奧運撐竿跳高記錄

玻璃纖維撐竿本身顯然沒有能量，究竟是何種原因?qū)е铝怂绱恕傲⒏鸵娪啊钡墓π?？我們?nèi)绻浴皠傂浴钡哪靖秃汀叭嵝浴钡睦w維竿進行對照來做一番簡略討論，將會看到力學中關(guān)于能量轉(zhuǎn)換的最生動演示（圖５）。

（５）木制撐竿與玻璃纖維撐竿對比

玻璃纖維竿由于重量大大減輕，使運動員持竿助跑的速度得以猛增，而聚集在竿上的動能是和助跑速度的平方成正比的。再說“剛性”撐竿和地面的接觸是“硬碰硬”的撞擊，而“柔性”的纖維竿落地后則更像彈簧的壓縮，兩者造成的能量損失和對人體的沖擊震蕩顯然大不相同。而當玻璃纖維竿變成一條大弧，運動員握竿點和插穴斗的直線距離則如一根弦，和“直挺挺”的不可壓縮的木竿相比，人-竿轉(zhuǎn)動半徑明顯縮短，豎竿的力矩大大減少，這意味著運動員能夠輕易地提高握竿點（圖６）。

（６）現(xiàn)代撐竿跳高握竿點的運行軌跡

如果把手中的撐竿當作一個“能量轉(zhuǎn)換器”——將水平方向助跑的動能轉(zhuǎn)換為一定高度的重力勢能，那么玻璃纖維竿的最大魅力則來自于它對能量的有效貯存和釋放。當纖維撐竿被壓彎后積蓄了變形勢能，然后將運動員“彈”向空中，等于運動員把水平助跑“掙來的錢”“存入銀行”，接著及時“提取”出來支付垂直上升和跨越橫桿需要付出的“費用”。

撐竿跳高中的“雙鐘擺”效應(yīng)，指的是以穴斗為支點，以撐竿為主體的“長擺”，和以肩關(guān)節(jié)為支點，以人為主體的“短擺”。木竿的“擺長”是不變的，運動員握竿點的軌跡幾乎完全是一個陡起的圓弧，而玻璃纖維竿的“擺長”是變化的，運動員身體重心位移是一個平滑的曲線。這十分有利于提高“擺動”的角速度和減少能量轉(zhuǎn)換中的損失。

如果進行更深層次的觀察和研究，就會發(fā)現(xiàn)撐竿材料的“革命”帶來了撐竿跳高整體技術(shù)動作模式的變化，運動員起跳后不再是無所作為地等待被“拋擲”，而是開始了一系列精巧、細致、復(fù)雜的“竿上動作”。懸垂擺體、后仰舉腿、引體轉(zhuǎn)體、......最后以竿上“單手倒立”的英姿騰越過竿，這是何等令人驚嘆的高難度技巧。有人把撐竿跳高比作“跳高加體操”的確不無道理。號稱“女布勃卡”的俄羅斯運動員伊辛巴耶娃本來就是體操運動員出身，只因身高“不幸”長到了173厘米才被迫改行，也許多虧了體操的“童子功”，成全了她創(chuàng)造5.01米世界紀錄的輝煌之夢。

對于撐竿跳高的極限，人們做過多種預(yù)測，根據(jù)能量守恒的公式計算出水平助跑動能最多可以轉(zhuǎn)化為大約5米的垂直勢能，但顯然遺漏了運動員騰空后獲得新的能量份額。所謂“撐竿跳”，“跳”和“撐”都是題中應(yīng)有之義。算總賬的時候不光要看到地面上水平助跑積蓄的初始能量，還要加上懸空后手臂一挽一推、身體翻轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)而新“掙”來的后續(xù)能量。

今天競技場上的撐竿經(jīng)過不斷更新?lián)Q代，玻璃纖維和尼龍已經(jīng)被更加輕便、堅韌而富有彈性的碳素纖維和多種復(fù)合材料所取代。通過精密的實驗和計算，根據(jù)撐竿從上到下受力的差異和彎曲的弧度來設(shè)計不同部位最合理的強度，現(xiàn)代的撐竿制作工藝日臻完善和成熟，而納米材料的應(yīng)用也許會讓撐竿跳高“百尺竿頭，更進一步”（圖７）。

對撐竿材料革命的疑慮和抱怨雖然一直沒有停息，但誰也不愿意再回到“搟面杖”和“竹筒子”的年代。撐竿跳高演變的歷史是一個經(jīng)典的例證，講述了新興材料如何將這項古老運動推向峰巔。