奥运科学

摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载自：科学松鼠会[http://songshuhuinet]

“作为高效率的“能量转换器”，弓能够把70%至80%的弹性势能转化为箭的动能，“剩余”的能量则变成弓的阻尼震动。”

射箭的弦外之音

白、黑、蓝、红、黄，这些五色相间的同心圆便是射箭竞技场上的“众矢之的”。箭靶的直径为122厘米，称为“牛眼”的靶心直径仅122厘米。运动员要从90米开外射中10环，相当于站在足球场一个球门去射中对面球门里的一只苹果。或者说，整个靶子的大小看上去就像眼前的一枚图钉。要想做到“百步穿杨”、箭无虚发，的确不是件容易的事。

世界上很难找到一个民族，历史上从来不使用弓箭。丘比特的“金箭”和“铅箭”管辖着天上人间的爱情，罗宾汉靠“神箭”劫富济贫，后羿则“箭射九日”改造“生态环境”，东西方有多少神话与传说都和弓箭有关。在“热兵器”问世前的漫长岁月里，弓箭一直是最具威力的军事装备。从狩猎工具到战争武器再到体育运动，弓箭在人类文明中的角色发生了根本变化。

1908年伦敦奥运会女子射箭比赛

1900年巴黎奥运会上，射箭已经是“老资格”的体育竞赛项目，旧式的长弓仪态优雅，并成为女子进入现代奥运会的先声。由于各主办国没有统一的竞赛规则，致使射箭运动从1920年安特卫普奥运会后被取消资格。应该深深感谢英吉布瑞斯女士，在这位唯一的国际单项体育联合会女性主席领导下，国际箭联经过不懈努力，终于使射箭运动在1972年重返奥运大家庭。美国男子队曾在亚特兰大奥运会上囊括了个人和团体冠军，明星射手麦金尼被誉为箭坛的“常青树”；“东方箭霸”韩国的“梦之队”也在奥运会上尽领风骚，人称“射箭机器”的金水宁一度成为世界女子箭坛的****。中国姑娘何影和她的伙伴们在2001年第41届世锦赛上首次赢得了女子团体冠军。

在射击运动中，子弹的飞行靠火药或压缩气体推动。射箭的一切力量则完全来自人的体能。今天奥运会使用的反曲弓仍是传统弓箭的“嫡亲子孙”，由刚性的弓柄、弹性的上下弓片和坚韧的弓弦连接而成。在运动员持弓臂和拉弓臂的作用下，弓弦上的张力使弓片外侧产生拉伸形变，内侧产生压缩形变，从而带来弓片的弯曲，将肌肉收缩的力量变成弓的弹性势能贮存起来，然后突然释放推动箭的飞行。弓实际上是一个能量转换器，把人的生理能量转化为箭的动能。在弓片弯曲过程中，各截面承受的力矩是不同的，离弓柄越远应力就越小，这也是反曲弓将弓梢设计成“反曲”形的原因。

古人已经深谙“挽弓当挽强”的道理。射箭比赛中男选手开弓的平均力量约50磅，女选手约35磅，一次常规的世锦赛，需要在4天双局中搭弓射箭288次，男选手用力累计将近8吨，女选手超过5吨。而一个举重运动员一次比赛不过累计举起15吨。可见射箭是多么沉重的“力气活”。更加艰巨的是，射箭选手大部分时间处于“引而不发，跃如也”的状态，对弓箭系统的水平支撑力和对身体站立的垂直支撑力构成“十字形”用力结构，“端身如干，直臂如枝”，这种高水准的“静力平衡”实在非一日之功。

射箭瞄准之所以比射击瞄准难度更大，还由于弓上只有准星，而没有“照门”，因此无法像枪支那样找到现成的“瞄准基线”。假设我们以靶心为原点作水平方向X轴和竖直方向的Y轴，当靶心、准星、弓弦边缘和眼睛处于同一条直线时，箭飞行方向的竖直平面应该和“弓平面”一致，并与靶上的Y轴重合，使射出的箭向Y轴集中。那么，又该如何确保射出的箭向靶上的X轴靠拢呢？

当运动员每次拉弓时，都会把扣弦手指放在下颌骨右侧精确的位置上，有些射手在弓弦上安放一个小小的“吻钮”，通过嘴唇对它“每箭一吻”，让弓弦“靠”住鼻准、人中、下巴的中点，这种“靠弦法”确保了从箭尾槽到瞄准眼之间有一个固定的“靠弦距”，于是瞄准线通过弓弦的一点便成了弓上的第二个“基准”。箭射出去的高低上下就便于控制了。

确保用力的直线性是射箭技术的要领之一。推弓合力点、钩弦点、拉弓臂肘关节中心点应该在一条直线上。运动员持功时不能用全掌“握弓”而用虎口“推弓”，便是为了尽量确保手和弓之间近似的“点接触”而不是宽大的“面接触”。

反曲弓

一个看上去并不起眼的小零件叫做“信号片”，却称得起射箭运动历史上具有重大意义的发明。这是弓柄上用来压住箭杆的一只钢片，当射手拉弓到位时箭头滑出，钢片便在回弹中敲击弓柄发出清脆“噼啪”声。信号片能准确“监视”运动员每次拉弓深浅不变，确保弓臂保持相同张力，不啻以“声控操作”捕捉“最佳撒放时间”。射箭运动中最讲究动作的一致性，每个选手经过千锤百炼形成的技术必须高度固定化、程序化，像机器一样准确无误和循环重复，任何时候都不走样和变形。

人们常用“离弦之箭”形容速度之快。反曲弓射出的箭初速度约每小时240公里，超过了“子弹头列车”。箭的速度取决于弓的力量和效率，箭的形状、重量和表面积。用不同方式粘成的箭羽能使箭绕纵轴旋转并确保飞行稳定。作为长度和直径比很大的飞行体，来自弓弦的加速度会使箭杆产生柔性弯曲和弹性震动，降低飞行稳定性。不过和射击相比，箭的“行动”就太迟缓了，速度只是子弹的十分之一，需要大约1秒钟才能达到70米开外的射程。如果初速度方向正对靶心作“平抛运动”，由于地球的引力作用，箭到达靶位时会下落将近5米。因此射箭必须有一个“仰角”，让箭作“斜抛运动”，使“弹道”成为一个拱起的抛物线。难怪箭靶的放置都和地面垂直方向成15度角，以“仰视”的姿态去面对“万箭穿心”了。顺便一提，当今箭靶将盘卷的草绳缝合起来再蒙上靶纸，用的还是当年诸葛亮“草船借箭”的材料。

箭靶和垂直方向成15度角

作为高效率的“能量转换器”，弓能够把70%至80%的弹性势能转化为箭的动能，“剩余”的能量则变成弓的阻尼震动。根据科学史专家研究，人类早期弦乐器的出现就是受了弓弦震动能发出声音的启示。至于弹棉花的弓就更一望而知是“其来有自”了。安装在反曲弓上这些错杂的棍棒叫做“减震器”，就是为了增加弓的静止惯性和转动惯量，从而减少撒放时弓体的位移和震动。并且达到“配重”效果，让弓箭系统的质量中心更靠近推弓点以保持平衡。

复合弓

1995年在雅加达举行的第38届射箭世锦赛上，历尽艰辛坎坷的复合弓终于被国际箭联批准为正式比赛项目。这是1969年由美国人艾伦发明的真正意义上的“现代弓”，它的“创新”之处却恰恰是把人类两项最“古老”的发明轮子和弓箭结合到了一起。复合弓在上下弓片末端安装了偏心轮，利用动滑轮的杠杆原理，使开弓力量达到最大值后，随着拉距增加反而变得越来越“省劲”，满弓时用力可减轻70%。这不仅使运动员能在更轻松舒适的状态下持弓瞄准，也使女子可以跨越体力的鸿沟，和男子一样使用“硬弓”。

比较一下反曲弓的张力曲线，由于和拉距的增加成正比，撒放时弓弦作用于箭的力量是突然的和递减的。而复合弓对箭的加速力量则从小到大，渐次趋向峰值，有效工作距离也相应延长，因而能使箭的离弦速度更快，飞行弹道更平直。此外，复合弓不再用三个手指勾弦撒放而是“扣动扳机”让“撒放器”代劳，光学瞄准器和气泡水平仪的使用更极大提高了箭射出的精度。复合弓处处凝结着科学的智慧，近年来迅速风靡全球，销售额已经占据世界弓箭市场的90%以上，成为弓箭家族最兴旺的“主流”。尽管奥运会至今仍没有接纳复合弓为正式比赛项目，但2008年在北京举行的第13届残奥会已经向复合弓首次亮起了绿灯。

更多形形色色的射箭比赛每年都在全球各地蓬勃开展，射远比赛每组射6支箭以最佳成绩为准，手持弓的世界纪录达到1220米；地靶比赛以地面上竖起的标杆为圆心画出15米直径的大靶，选手们从百米开外射出36箭决定胜负。骑马射箭仍是不少民族喜爱的传统竞赛项目，滑雪射箭正式进入冬奥会则已成定局，在争荣并茂的现代体育之林中，射箭运动旺盛的生命力正与日俱增。

从古老作坊的能工巧匠到现代企业的高科技设备，从竹片、牛角、木杆到铝合金、玻璃钢和碳纤维，人类几千年来一直没有停止过制造弓箭。我们也许不免陷入对往昔的怀旧和对文明的追寻。弓箭来自我们原始的祖先，并将传给遥远的子孙。

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