提名撑杆跳的杆子~
勘误：之前发布的内容里，有关于 1904 年奥运会上日本选手富士佐间代“爬杆跳”的描述，感谢知友 @Petrushka 提醒，这个人是虚构的，1904 年奥运会只有 12 个国家参赛，日本没参加，特此勘误。
关于这件事，可以看这个回答 富士佐间代的“爬杆跳”传说，这个故事是纯粹编造的吗？
查了一下国际奥委会官网，1904 年奥运会撑杆跳的获奖情况是这样的：
1896 年雅典奥运会男子撑杆跳第一名的成绩是 3.3 米，而现在的男子撑杆跳高世界记录是 6.18 米。
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：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。
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）。
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。
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。
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。
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，蕴含着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。
这里有两个关键量。
一是弹性模量，弹性模量越小，给运动员提供的“支撑”就越大；二是弹性强度，弹性强度越大，撑杆就越“结实”。
这就意味着撑杆材料的选择与发展是：弹性模量尽量小，弹性强度尽量大。
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。
举个例子，竹制撑杆弹性模量小但强度也较低，容易折断；金属撑杆虽然不易折断，但是弹性模量却相对较高。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。
要想更进一步，就需要材料设计中不断克服模量与强度的天然矛盾。
于是，复合材料撑杆出现了。
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。
写在最后
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。
“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。
参考文献：
[1] The Future of Pole Vaulting. Bowen, Gloria & Blume, Emma & Killeen, Katie & Winn, Brandon. (2017).
[2] Boden BP. Catastrophic pole vaulting injuries increased during past decade. Am J Sports Med. 2012;40:1488-1494.
[3] 撑杆跳高技术进步与材料发展，于祥，张孔军，陈儒（2014）.
[4] Autonomous indication of mechanical damage in polymeric coatings. Li, W., Matthews, C. C., Yang, K., Odarczenko, M. T., White, S. R., & Sottos, N. R. 17 (2016).
[5] 王臻，戴英，嵇醒. 复合材料撑竿性能对撑竿跳高高度的影响. 力学与实践，2008 年 6 月.
[6] 魏德敏，张恒. 对撑杆力学性能及撑杆跳高高度影响因素的研究.力学与实践，2008 年 6 月.
[7] 于祥，张孔军，陈孺. 撑杆跳高技术进步与材料发展. 金属世界，2014 年第 3 期.
作者：王江涛、马特、宋宏伟（中国科学院力学研究所）
出品：科学大院
转载请联系 cas@cnic.cn
微信扫一扫 
