撑竿跳的变迁

科技之光

1994年7月31日，意大利塞斯特里尔田径场，号称“跳高沙皇”的乌克兰运动员布勃卡“揭竿而起”，把自己的身体撑向蓝天，一举越过了6.14米横杆。这是人类克服地球引力的凯歌，也是人类体育运动目前所达到的高度上限。在布勃卡时代，天下好手参加撑竿跳高比赛常常只有亚军可争了。

撑竿跳高究竟起源于何时已经很难考证。在远古的年代里，人们撑着一根木竿或长矛跨过溪流，越过短墙，腾上马背......此后渐渐发展为一项体育运动。1789年，德国人普茨跳过了1.83米，这大约是历史上第一个有案可考的撑竿跳高纪录。

1896年的第一届奥运会上，撑竿跳高就成为最引人入胜的正式比赛，不过属于体操项目。当时使用的撑竿大多由山胡桃木制成。美国运动员威廉.霍亚特靠着这种沉重、坚硬、粗笨的实心木竿，创造了3.3米的世界纪录（图１）。

（１）在1896年雅典奥运会上美国运动员威廉.霍亚特（右）获撑竿跳高第一名

幼年时代奥运会的滑稽故事在撑竿跳高项目中也不乏其例。1904年在美国圣路易举办的第3届奥运会上，日本选手左间代.富士从容不迫把撑竿插到地上，然后以极其麻利的动作来了个“顺竿爬”，直到高过横杆时才轻松跳下。他的这种“杂技表演”不仅令观众目瞪口呆，也叫裁判不知所措。此后才制定了起跳后握竿双手不能交替移动的“游戏规则”。

用竹竿取代木竿，是撑竿跳高历史上的重大进步。竹竿更富有弹性，天然的中空结构使撑竿的重量减轻有利于快速助跑。1908年伦敦奥运会上，美国耶鲁大学学生吉尔伯特第一次使用竹竿跳过3.71米获得冠军（图２）。他随后从巴黎购买了大量竹竿行销到美国各地。盛产上乘竹子的日本曾领尽风骚，洛杉矶奥运会上，日本选手西田修平仅以1厘米之差直逼霸主美国队，柏林奥运会两位日本运动员把奖牌切开再焊接成两块银、铜各半奖牌，这类奇迹和轶事都发生在日本撑竿跳高的“辉煌时代”。而历经5年时间阴干和炮制的日本撑竿工艺也首屈一指，各国好手几乎都把来自“竹乡”上野、四国的日本撑竿视为珍稀的上选。“竹竿时代”的世界纪录上升到了4.77米。

第二次世界大战没有理睬古奥运会“神圣休战”的原则，第12、13届奥运会成为历史上永远的空白。作为交战双方，欧美国家从日本进口竹竿的渠道也完全阻断。而苦难中的人类并没有因战争而丧失撑竿跳高的兴致，他们被迫另辟蹊径，早在1920年代便有人尝试的金属撑竿开始备受青睐。

（２）吉尔伯特

和自然生长的竹竿相比，这种用瑞典钢和铝合金制成的空心撑竿更加轻便光洁，尺寸标准，坚牢柔韧，运动员可以更放心大胆加快助跑和提高握竿点而不用再担心“折戟沉沙”。世界纪录因此而提高到4.80米。

另外一项看似简单却功不可没的发明，是插竿斗的使用。早期的撑竿为了防止打滑，都在末端安上一个或者一组粗大的铁钉。1908年伦敦奥运会上，美国运动员吉尔伯特在撑竿的落地处挖了个坑，结果被视为犯规。直到1924年，木制的插竿斗才成为撑竿跳高的“标准配置”，从此运动员有了一个稳定可靠的“支点”（图３）。

（３）木制的插竿斗

1952年，当更轻、更韧、更富有弹性的玻璃纤维撑竿第一次在赫尔辛基奥运会出现时，谁也没有预料到撑竿跳高将进入一个梦幻般的新时代。1961年美国运动员戴维斯创造了玻璃纤维撑竿的第一个世界纪录4.83米。次年2月，约翰.尤尔西斯跳过4.89米。1964年弗莱德.汉森把世界纪录提高到5.28米。短短几年间，撑竿好手群雄竞起你追我赶，世界纪录墨迹未干便再被刷新，直到突破6米大关。和其他任何田径项目相比，这种势如破竹的“跃进”都是绝无仅有的（图４）。

（４）奥运撑竿跳高记录

玻璃纤维撑竿本身显然没有能量，究竟是何种原因导致了它如此“立竿见影”的功效呢？我们如果以“刚性”的木竿和“柔性”的纤维竿进行对照来做一番简略讨论，将会看到力学中关于能量转换的最生动演示（图５）。

（５）木制撑竿与玻璃纤维撑竿对比

玻璃纤维竿由于重量大大减轻，使运动员持竿助跑的速度得以猛增，而聚集在竿上的动能是和助跑速度的平方成正比的。再说“刚性”撑竿和地面的接触是“硬碰硬”的撞击，而“柔性”的纤维竿落地后则更像弹簧的压缩，两者造成的能量损失和对人体的冲击震荡显然大不相同。而当玻璃纤维竿变成一条大弧，运动员握竿点和插穴斗的直线距离则如一根弦，和“直挺挺”的不可压缩的木竿相比，人-竿转动半径明显缩短，竖竿的力矩大大减少，这意味着运动员能够轻易地提高握竿点（图６）。

（６）现代撑竿跳高握竿点的运行轨迹

如果把手中的撑竿当作一个“能量转换器”——将水平方向助跑的动能转换为一定高度的重力势能，那么玻璃纤维竿的最大魅力则来自于它对能量的有效贮存和释放。当纤维撑竿被压弯后积蓄了变形势能，然后将运动员“弹”向空中，等于运动员把水平助跑“挣来的钱”“存入银行”，接着及时“提取”出来支付垂直上升和跨越横杆需要付出的“费用”。

撑竿跳高中的“双钟摆”效应，指的是以穴斗为支点，以撑竿为主体的“长摆”，和以肩关节为支点，以人为主体的“短摆”。木竿的“摆长”是不变的，运动员握竿点的轨迹几乎完全是一个陡起的圆弧，而玻璃纤维竿的“摆长”是变化的，运动员身体重心位移是一个平滑的曲线。这十分有利于提高“摆动”的角速度和减少能量转换中的损失。

如果进行更深层次的观察和研究，就会发现撑竿材料的“革命”带来了撑竿跳高整体技术动作模式的变化，运动员起跳后不再是无所作为地等待被“抛掷”，而是开始了一系列精巧、细致、复杂的“竿上动作”。悬垂摆体、后仰举腿、引体转体、......最后以竿上“单手倒立”的英姿腾越过竿，这是何等令人惊叹的高难度技巧。有人把撑竿跳高比作“跳高加体操”的确不无道理。号称“女布勃卡”的俄罗斯运动员伊辛巴耶娃本来就是体操运动员出身，只因身高“不幸”长到了173厘米才被迫改行，也许多亏了体操的“童子功”，成全了她创造5.01米世界纪录的辉煌之梦。

对于撑竿跳高的极限，人们做过多种预测，根据能量守恒的公式计算出水平助跑动能最多可以转化为大约5米的垂直势能，但显然遗漏了运动员腾空后获得新的能量份额。所谓“撑竿跳”，“跳”和“撑”都是题中应有之义。算总账的时候不光要看到地面上水平助跑积蓄的初始能量，还要加上悬空后手臂一挽一推、身体翻转旋转而新“挣”来的后续能量。

今天竞技场上的撑竿经过不断更新换代，玻璃纤维和尼龙已经被更加轻便、坚韧而富有弹性的碳素纤维和多种复合材料所取代。通过精密的实验和计算，根据撑竿从上到下受力的差异和弯曲的弧度来设计不同部位最合理的强度，现代的撑竿制作工艺日臻完善和成熟，而纳米材料的应用也许会让撑竿跳高“百尺竿头，更进一步”（图７）。

对撑竿材料革命的疑虑和抱怨虽然一直没有停息，但谁也不愿意再回到“擀面杖”和“竹筒子”的年代。撑竿跳高演变的历史是一个经典的例证，讲述了新兴材料如何将这项古老运动推向峰巅。