說到跟奧運有關的地標,相信大家一定會想起港鐵奧運站,站內繪有各樣奧運賽事畫面,但大家有沒有想過運動背後蘊藏的科學原理呢?就讓筆者一探運動和科學兩者之間的微妙關係吧!
喜出望外的奧運站命名故事
1998年6月20日啟用的奧運站,據知原擬按照所在地區或就近街道取名為大角咀站或櫻桃站,但李麗珊在1996年美國亞特蘭大奧運會破天荒為香港奪下史上第一金,加上蘇樺偉、張偉良等人於隨後的殘奧會合共為港隊豪取五金五銀五銅,地鐵公司(當時兩鐵尚未合併成港鐵)遂與香港業餘體育協會暨奧林匹克委員會(今港協暨奧委會)達成協議,決定將車站命名為奧運站以表揚本地運動員。
帆船順風行駛的邏輯迷思
不知道讀者是否曾有過與筆者一樣的想法——帆船是被風推着跑的,所以順風航行能讓帆船獲得較快的速度。但事實真的如此嗎?其實,帆船完全順風反而不能獲得最佳速度。
實際上,空氣作用於帆的力有兩種形式:一種是推力,即當空氣流動的時候,對物體產生衝擊力。帆船順風行駛時,就是靠空氣的推力推動向前的。另一種則是拉力:當船帆的兩側空氣流速不同的時候,就會產生壓強差,這時風帆就產生了拉力。
追溯到1738年,科學家Daniel Bernoulli發現,氣流速度與周圍自由氣流成比例增加,從而導致壓力的降低,這可令氣流速度更快,這就是伯努利效應。來自同一來源,即與壓力相同的地方的空氣,遇到阻礙物便會分成兩條路徑,空氣流向壓力較低的地方面臨較小的阻力(前面的壓力作為將空氣推回的力),因而比流向壓力較高的地方的空氣移動得更快。這種情況如果在呈流線形的風帆上發生,帆的兩側空氣流動速度便會不同,令帆的背風那一面形成低壓區域,從而產生拉力。情況一如飛機翼,因底面兩面形狀不同,當氣流經過機翼或帆時,機翼的上面和帆凸出一側的氣流流速較快,另一側氣流流速較慢,流速慢處的壓強比流速快處的壓強為大,正是這個壓強差使機翼產生了向上的升力,作用於帆船則獲得向前的動力。
▲「風之后」李麗珊在風帆上逐浪摘金的英姿,也記錄在奧運站的壁畫上。
帆船藉助帆的每一面所產生的力量沿着迎風方向移動。迎風面的正向力量(推力)和背風面的負向力量(拉力)一同形成了「合力」,這兩種力量都作用於同一方向就能讓帆船速度達到最快。帆船的航向也不是完全沒有限制,在正逆風左右各約45度夾角內,並無法產生有效的前進力。但太順風也不妙,因這時「伯努利效應」消失,只有風的推力而沒了拉力,船速會再度慢下來,同時也進入不穩定狀態。當船頭與風向成30至40度的夾角時,既有推力又有拉力,此時風的效率是最高的。
傳承運動科學的力量
精英運動發展涉及多方面不同因素,是一代接一代教練和運動員持續努力的成果,而運動科學也是其中一個重要因素,以射箭為例,教練可提出方案針對瞄準時之穩定性,從生物力學角度進行射箭專項技術診斷,透過量化分析與即時回饋,用瞄準技術力學指標作為技術調整的依據,利用瞄準分析訓練系統,更有利於控制晃動規律,增加穩定性,延長穩定期。
▲本文摘自《我港理學——香港今昔未來微科學》,有刪節
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