體育器材中先進材料的使用對競技體育發(fā)展的影響初探

劉軍

（威海經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)新都中學(xué) 山東 威海 264200）

前言

通過在運動領(lǐng)域應(yīng)用機械理論，運動器材開始更加貼合人體組織和人體骨骼的設(shè)計，為了確保運動員運動過程中的安全，確保運動員的成績得到穩(wěn)步提升，我們需要設(shè)計更加符合實際要求的運動器材，運動器材的設(shè)計涉及到許多領(lǐng)域的專業(yè)知識，因此，運動器材在設(shè)計時，不僅僅需要考慮運動器材所使用的材料功能效果，還需要考慮運動器材在使用過程中的安全系數(shù)。下面，作者主要分析了先進材料在體育器材中的應(yīng)用及其對競技體育發(fā)展的影響。

1、體育器材設(shè)計

目前，世界上最好的運動器材都與科學(xué)密切相關(guān)。只有科學(xué)技術(shù)的發(fā)展才能帶來高科技運動器材的快速發(fā)展。添加了科技的設(shè)備部件得到了很大的改進，在設(shè)備本身的先進性、避障性和舒適性方面都有了很大的提高。這些學(xué)科包括材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)科學(xué)、機械工程、力學(xué)、生物學(xué)等。生命物理學(xué)可以簡單地定義為一門關(guān)于人體如何對內(nèi)外力作出反應(yīng)的學(xué)科。因此，它是一種試圖對關(guān)節(jié)、韌帶和身體組織施加負(fù)荷的機械機制和原理。在運動器材的設(shè)計中要考慮材料本身的許多功能，如，強度、韌性、密度、抗疲勞性、韌性、抗沖擊性和成本。為了滿足運動器材的要求，材料的選擇往往由幾種材料組成——金屬、陶瓷、混合感恩和混合材料。使用創(chuàng)新的設(shè)計和材料制造所有必要的設(shè)備以滿足要求。不同的材料可以通過其不同的特性完全組合(例如，考慮軌道密度的材料)。所以，如果我們想要盡可能高的硬度，但重量很輕，我們選擇高強度和低重量的材料，如果實驗通過，密度比較在硬質(zhì)材料上，需要低密度螺旋材料在這方面優(yōu)于其他材料。在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的實現(xiàn)中往往需要設(shè)定一個設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)。

2、先進材料使用原則

一是堅持安全性原則。運動器材制造前，在選擇制造材料時，安全是我們首要考慮的一個問題，我們在選擇運動器材的制造材料時，需要首先對運動人員的年齡范圍和身體特點進行分析，結(jié)合我們分析的情況選擇更加適合運動員的運動材料，在運動人員運動前，我們需要對運動人員開展全面細(xì)致的安全教育；二是科學(xué)性原則。體育材料是否使用先進材料對于運動員有較好的鼓勵作用，在運動器材中使用先進材料可以更好地調(diào)動運動人員的運動積極和主動性，因此，科學(xué)性原則也是運動器材選擇時需要重點考慮的一個問題。首先，運動器材制作時需要符合運動人員的年齡和機體特點；其次，運動器材的材料在選擇時需要依據(jù)運動類型和運動場地情況進行判斷；三是需要堅持環(huán)保原則。我們在選擇運動器材的先進材料時，盡可能選擇廢棄物回收的原料，這部分原料是對資源的再利用，有助于保護環(huán)境，但是我們需要注意，如果我們在利用二次利用的體育材料時不能確保科學(xué)合理，那么在使用完成后我們需要對材料進行分類處理，不能將未使用的材料隨意丟棄，對環(huán)境造成二次污染；四是多用性。體育器材中多用性的原則意思是選擇的先進材料需要具有制作多種體育器材的作用，需要在多項體育活動中得到應(yīng)用。

3、現(xiàn)今材料分類

3.1、碳纖維復(fù)合材料

碳纖維材料相對于其他材料來說力學(xué)效果比較優(yōu)秀，一般來說碳纖維密度也比較小，但是抗壓強度又會遠(yuǎn)高于密度更高的運動材料，因此碳纖維復(fù)合材料可以更好地運用在自行車、球拍等運動領(lǐng)域。

3.2、石墨烯及其復(fù)合材料

石墨烯是一種由碳原子和sp2雜化軌道組成的蜂窩晶格二維六角形碳納米材料。石墨烯屬于自然資源中最薄的一種材料，石墨烯的厚度約為一個原子的厚度，但是石墨烯的強度也是最強的，石墨烯的斷裂強度需要比材質(zhì)最好的剛才高出200倍左右，我們將一定的酚醛樹脂加入石墨烯材料中，可以對石墨烯進行無定形的炭化處理，無定形的石墨烯可以彌補以往石墨烯材料的一些缺陷，確保石墨烯材料密度更高，無定形的碳化處理進一步對石墨烯材料的性能進行了優(yōu)化，其抗拉強度和斷裂伸長率分別達到1.45 GPa和1.8%。氧化石墨烯復(fù)合材料的運用范圍更加廣，可以運用在運動頭盔、羽毛球等運動領(lǐng)域，石墨烯材料可以為運動人員提供更加優(yōu)良的防護性能，可以讓運動人員在使用過程中減少能量的損失。

3.3、納米材料

納米材料是小于100nm的材料的總稱，上世紀(jì)80年代開始有納米材料的概念，納米材料表面效應(yīng)優(yōu)越，納米材料不管是在光性能、電性能、磁性能、熱性能、力學(xué)性能還是在機械性能方面都有普通材料無可比擬的優(yōu)越性，將運動器材應(yīng)用于運動加工領(lǐng)域，可以根據(jù)材料性質(zhì)對納米材料進行應(yīng)用。

3.4、其他材料

除上述材料外，在運動器材領(lǐng)域加工較多的新材料有生物工程塑料、芳綸纖維、體育發(fā)泡材料、紡織復(fù)合材料、牛頓流體材料等。上述材料除了材料強度高、耐磨性能優(yōu)越、抗老能力比較強之外，相比于一般的織物來說，抗壓能力會比較強。一般來說，在滑冰、冰球等冰上運動中，運動員的服裝需要具備更加防刺、減震的功能，這樣可以降低運動員運動過程中受到運動事故傷害的風(fēng)險，生物工程塑料相對來說機械性能更優(yōu)，透氣性更強，我們對生物工程塑料進行進一步改良優(yōu)化后，可以將生物工程塑料應(yīng)用在防護用具、衣服等運動器材中，生物工程塑料制作的運動器材具備強度優(yōu)越、自重輕和抗壓能力強的優(yōu)勢。體育器材用的各種類型粘彈性發(fā)泡材料，具有減震、隔音、吸聲、隔熱、保溫、阻尼、密封和阻燃等特性。 現(xiàn)主要產(chǎn)品為 NBR/PVC、EPDM、CR、LC、PU、PE、PVC、XPE、IXPE等各類系列化發(fā)泡粘接件、橡塑類保溫管、橡塑類保溫板、PE類保溫管、棉氈類隔聲材料等。

4、先進材料在競技體育器材中的應(yīng)用

4.1、自行車中先進材料的使用及其對競技體育發(fā)展的影響

自行車屬于相對來說比較高效的一類運動設(shè)備，自行車的發(fā)展主要體現(xiàn)在自行車的車輪和車架上，自行車可以看成是一種菱形結(jié)構(gòu)的變形空間，我們在選擇自行車的骨架材料時，需要充分考慮材料的強度情況，而不是將成本作為第一考慮要素，碳填料是最理想的材料。如果我們將成本作為首要考慮要素的話，那么鋼材是最適合應(yīng)用的。在強化碳纖維復(fù)合支架的同時，也在制造混合支架，比如專注于鈦和碳纖維混合材料的復(fù)合應(yīng)用。根據(jù)山地自行車的穩(wěn)定性要求，研制出了增強玻璃釬焊維尼綸盤式車輪。對于盤式車輪，用碳纖維或鋁合金代替輻條。五輻或三輻車輪也制造，以提供優(yōu)秀的側(cè)面空氣動力學(xué)和穩(wěn)定性。例如，多年來環(huán)法自行車賽車手的平均速度證明，在自行車上使用碳纖維可以顯著提高性能。

4.2、網(wǎng)球球拍中先進材料的使用及其對競技體育發(fā)展的影響

大約30年前，網(wǎng)球是一項非常流行的運動，它使用的是木制球拍。在更高的水平和水平，球員使用的球拍由加蓬橄欖木和木材。在20世紀(jì)60年代，球拍的主要材料是混合球拍，隨著鋁或鋼金屬框架的逐漸應(yīng)用，不僅能提高球的速度，還能減少危險的振動。如今，網(wǎng)球拍主要應(yīng)用鈦、鎂、鋼、鋁等多種材料制成。然而，基于傳遞給球的更大的力，由于碳纖維混合物的高硬度比金屬材料更硬，在擊球時會出現(xiàn)頻率更高的振動情況，為了最大限度減少振幅，我們需要對網(wǎng)球的球柄進行進一步優(yōu)化，可以從球柄的使用材料著手。完美的球拍結(jié)構(gòu)通常是一套聚氨酯泡沫(注射)，手柄由多層增強纖維組成的軟芯組成。此外，球拍受到FR纖維的更大的顫振減振效果，所以它發(fā)展了一個非常強的剛度。石墨提供所需的硬度和強度,以避免扭力的球拍頭外的“甜蜜點”擊中球,這球拍的偏轉(zhuǎn)頭減少,可有效減少振動。

4.3、運動鞋中先進材料的使用及其對競技體育發(fā)展的影響

在一系列的運動中，具有新技術(shù)的運動鞋隨處可見，運動鞋不僅對于運動員的運動成績和運動效果有決定性影響，對于運動員運動過程中的安全和運動員的機體安全也有重要影響，比如說，在進行田徑運動時，運動員的運動情況會受到運動鞋的很大影響。對于運動鞋來說，如果沒有明確對鞋釘?shù)闹亓窟M行規(guī)定，沒有明確對鞋釘?shù)奈恢眠M行規(guī)定，但是只明確了鞋釘?shù)闹睆?、鞋釘?shù)臄?shù)量、鞋釘?shù)拈L度等，那么我們結(jié)合科學(xué)實驗的分析結(jié)果可以知道，運動員每運動一步，運動員腳上所需要承受的重量會是運動員實際體重的3倍，加上運動鞋的重量也會增加運動員運動過程中的消耗，因此在運動員參加短跑比賽時，運動鞋鞋釘對于比賽結(jié)果的影響很大，因此我們需要對運動鞋鞋釘?shù)奈恢煤托螤钸M行科學(xué)的設(shè)計，此外，除了球員本身，高科技運動鞋往往是賽場上最大的亮點。阿迪達斯的“奇怪的指甲”極大地改變了足球鞋底的設(shè)計理念，彪馬將他們自己的電池減震技術(shù)應(yīng)用到皮雷的鞋子上，而迪亞多拉和耐克則體現(xiàn)了這一人體工程學(xué)設(shè)計理念。其中，耐克首次將變焦減震科技應(yīng)用于足球鞋，在鞋墊的前后掌心采用減震器的形式。

4.4、泳裝中先進材料的使用及其對競技體育發(fā)展的影響

在早些時候的一項分析中，荷蘭專家證實，如果游泳運動員在比賽時不穿泳衣游泳，會比穿泳衣游泳的阻力要小很多，因此我們對泳裝進行改進對于運動員的意義十分重要。基于科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展，我們?yōu)榱舜_保運動員游泳時運動員周邊的水流是貼著身體流的，我們需要研究在泳衣中采用新材料，換句話說，雖然可以穿著泳衣進入水中，但也可以迅速排水。此外，它確保運動員的身體是美麗的流線型。2000年，研究人員對鯊魚皮膚的研究導(dǎo)致了快速皮膚的設(shè)計，這是一種可以完全覆蓋運動員的泳衣。鯊魚的皮膚有粗糙的褶皺(v形)，可以讓它有效地在身體表面流動，從而顯著減少摩擦，讓游泳者游得更快。結(jié)合這一理論，鯊魚皮泳衣可以在游泳者后退時提供動力，模仿人類肌腱在接縫處的位置。同時，泳衣采用特氟龍纖維精心設(shè)計，基于對運動員身體的激光檢測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維設(shè)計，緊緊包裹運動員的腳踝和手腕。不僅如此，這款泳衣還模仿了人體皮膚，使用了彈性織物。事實證明，游泳運動員可以在游泳時減少3%的水阻力，使他們在1/1000s內(nèi)贏得比賽。

4.5、撐桿跳撐桿中先進材料的使用及其對競技體育發(fā)展的影響

復(fù)合材料在經(jīng)過高溫后又加以定型，玻璃纖維材料的撐桿彈性比較強、承載能力比較高，使用度比較高，重量比較輕，因此復(fù)合材料成為撐桿的主要制作材料。在助跑結(jié)束時，當(dāng)斜孔插入時，運動員可以利用FRP桿將快速向前的能量轉(zhuǎn)化為桿的變形能量。此外，在將桿彎曲到最大程度后，運動員可以利用動量將桿的變形能量向上轉(zhuǎn)移。利用這項技術(shù)，美國運動員在上個世紀(jì)60-70年代里已經(jīng)在這一領(lǐng)域取得了良好的創(chuàng)作人成績，取得了世界性的壟斷地位。上世紀(jì)80年代，歐洲地區(qū)的運動員逐漸在撐桿跳運動中取得優(yōu)勢，在撐桿跳運動的撐桿中選擇了性能比較優(yōu)越的纖維復(fù)合材料，因此就有了上世紀(jì)運動員取得撐桿跳6m高度的成績，為了在撐桿跳等極限運動中取得更加優(yōu)異的成績，許多發(fā)達國家都很重視先進材料的研究和使用。

4.6、體育場地中先進材料的使用及其對競技體育發(fā)展的影響

毫無疑問，體育場的地面材料對于運動員的運動成績也有重要影響，體育場的地面材料還會影響運動員的運動舒適性。首先，運動員在運動的過程中，肌肉因為用力會出現(xiàn)不斷收縮的情況，此時，運動場的地面材料如果出現(xiàn)問題，那么運動員很可能會出現(xiàn)運動損傷，因此，競技類體育賽事中，地板材料的選擇首要考慮的因素就是地板材料的性能，我們需要嚴(yán)格篩選具有優(yōu)越性能的地板材料。當(dāng)下,運動場的地板材料一般來說選擇的是一種橡膠材質(zhì)的地板材料，橡膠材質(zhì)的地板材料相比以往的地板材料來說更加柔軟、更加有彈性,這在一定程度上可以減小膝蓋的用力,對腳踝和腳的影響大大減少,從而起到保護作用。此外，這種類型的地板具有空氣彈性和空氣彈性層，達到理想的消聲效果，使地板在體育比賽期間不會出現(xiàn)振動；其次，由于體育競技比賽時，運動員的運動目標(biāo)是更強、更高、更快，因此，體育工作人員在競技體育發(fā)展的過程中，希望體育競技材料可以得到優(yōu)化。與以往的體育運動材料相比，目前體育場所使用的塑料軌道彈性更高，塑料軌道的主要組成成分是高分子化學(xué)材料。高分子化學(xué)材料的優(yōu)點是運動員在運動時，材料可以最大限度提高運動員離開地面的高度，這樣也更利于運動員進行加速運動，有利于保護運動員的膝蓋，幫助運動員增加運動的步長，最終達到幫助運動員獲得更加理性比賽結(jié)果的目的。

4.7、冰雪運動體育器材的使用

體育運動的魅力，關(guān)鍵的前提就是運動項目中所使用的運動器材，而運動器材中，最重要的是所選用的材料，以乒乓球舉例來說，乒乓球與其他運動有很大不同，乒乓球依賴運動器材，特殊材質(zhì)決定了運動的核心魅力，球類運動的核心魅力源自對重力的掙脫。

5、結(jié)語

總而言之，近年在國家大力倡導(dǎo)全民健身的體育發(fā)展戰(zhàn)略下，各地大眾體育賽事活動蓬勃發(fā)展，群眾參與熱情高漲。在賽事運營中，對體育器材要求也越來越專業(yè)。同時伴隨著先進體育材料在體育運動中和體育器材中的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的體育活動被改變了，體育材料中的先進材料為體育競技和體育賽事提供了更加優(yōu)良的服務(wù)，體育賽事和體育材料的發(fā)展屬于相互促進的關(guān)系，值得我們深入研究，將先進材料應(yīng)用于運動器材中，不僅可以提高器材的性能，還可以使運動員取得更理想的成績。