体育器材中先进材料的使用对竞技体育发展的影响初探

刘军

（威海经济技术开发区新都中学 山东 威海 264200）

前言

通过在运动领域应用机械理论，运动器材开始更加贴合人体组织和人体骨骼的设计，为了确保运动员运动过程中的安全，确保运动员的成绩得到稳步提升，我们需要设计更加符合实际要求的运动器材，运动器材的设计涉及到许多领域的专业知识，因此，运动器材在设计时，不仅仅需要考虑运动器材所使用的材料功能效果，还需要考虑运动器材在使用过程中的安全系数。下面，作者主要分析了先进材料在体育器材中的应用及其对竞技体育发展的影响。

1、体育器材设计

目前，世界上最好的运动器材都与科学密切相关。只有科学技术的发展才能带来高科技运动器材的快速发展。添加了科技的设备部件得到了很大的改进，在设备本身的先进性、避障性和舒适性方面都有了很大的提高。这些学科包括材料科学、医学科学、机械工程、力学、生物学等。生命物理学可以简单地定义为一门关于人体如何对内外力作出反应的学科。因此，它是一种试图对关节、韧带和身体组织施加负荷的机械机制和原理。在运动器材的设计中要考虑材料本身的许多功能，如，强度、韧性、密度、抗疲劳性、韧性、抗冲击性和成本。为了满足运动器材的要求，材料的选择往往由几种材料组成——金属、陶瓷、混合感恩和混合材料。使用创新的设计和材料制造所有必要的设备以满足要求。不同的材料可以通过其不同的特性完全组合(例如，考虑轨道密度的材料)。所以，如果我们想要尽可能高的硬度，但重量很轻，我们选择高强度和低重量的材料，如果实验通过，密度比较在硬质材料上，需要低密度螺旋材料在这方面优于其他材料。在当前标准的实现中往往需要设定一个设计标准来实现。

2、先进材料使用原则

一是坚持安全性原则。运动器材制造前，在选择制造材料时，安全是我们首要考虑的一个问题，我们在选择运动器材的制造材料时，需要首先对运动人员的年龄范围和身体特点进行分析，结合我们分析的情况选择更加适合运动员的运动材料，在运动人员运动前，我们需要对运动人员开展全面细致的安全教育；二是科学性原则。体育材料是否使用先进材料对于运动员有较好的鼓励作用，在运动器材中使用先进材料可以更好地调动运动人员的运动积极和主动性，因此，科学性原则也是运动器材选择时需要重点考虑的一个问题。首先，运动器材制作时需要符合运动人员的年龄和机体特点；其次，运动器材的材料在选择时需要依据运动类型和运动场地情况进行判断；三是需要坚持环保原则。我们在选择运动器材的先进材料时，尽可能选择废弃物回收的原料，这部分原料是对资源的再利用，有助于保护环境，但是我们需要注意，如果我们在利用二次利用的体育材料时不能确保科学合理，那么在使用完成后我们需要对材料进行分类处理，不能将未使用的材料随意丢弃，对环境造成二次污染；四是多用性。体育器材中多用性的原则意思是选择的先进材料需要具有制作多种体育器材的作用，需要在多项体育活动中得到应用。

3、现今材料分类

3.1、碳纤维复合材料

碳纤维材料相对于其他材料来说力学效果比较优秀，一般来说碳纤维密度也比较小，但是抗压强度又会远高于密度更高的运动材料，因此碳纤维复合材料可以更好地运用在自行车、球拍等运动领域。

3.2、石墨烯及其复合材料

石墨烯是一种由碳原子和sp2杂化轨道组成的蜂窝晶格二维六角形碳纳米材料。石墨烯属于自然资源中最薄的一种材料，石墨烯的厚度约为一个原子的厚度，但是石墨烯的强度也是最强的，石墨烯的断裂强度需要比材质最好的刚才高出200倍左右，我们将一定的酚醛树脂加入石墨烯材料中，可以对石墨烯进行无定形的炭化处理，无定形的石墨烯可以弥补以往石墨烯材料的一些缺陷，确保石墨烯材料密度更高，无定形的碳化处理进一步对石墨烯材料的性能进行了优化，其抗拉强度和断裂伸长率分别达到1.45 GPa和1.8%。氧化石墨烯复合材料的运用范围更加广，可以运用在运动头盔、羽毛球等运动领域，石墨烯材料可以为运动人员提供更加优良的防护性能，可以让运动人员在使用过程中减少能量的损失。

3.3、纳米材料

纳米材料是小于100nm的材料的总称，上世纪80年代开始有纳米材料的概念，纳米材料表面效应优越，纳米材料不管是在光性能、电性能、磁性能、热性能、力学性能还是在机械性能方面都有普通材料无可比拟的优越性，将运动器材应用于运动加工领域，可以根据材料性质对纳米材料进行应用。

3.4、其他材料

除上述材料外，在运动器材领域加工较多的新材料有生物工程塑料、芳纶纤维、体育发泡材料、纺织复合材料、牛顿流体材料等。上述材料除了材料强度高、耐磨性能优越、抗老能力比较强之外，相比于一般的织物来说，抗压能力会比较强。一般来说，在滑冰、冰球等冰上运动中，运动员的服装需要具备更加防刺、减震的功能，这样可以降低运动员运动过程中受到运动事故伤害的风险，生物工程塑料相对来说机械性能更优，透气性更强，我们对生物工程塑料进行进一步改良优化后，可以将生物工程塑料应用在防护用具、衣服等运动器材中，生物工程塑料制作的运动器材具备强度优越、自重轻和抗压能力强的优势。体育器材用的各种类型粘弹性发泡材料，具有减震、隔音、吸声、隔热、保温、阻尼、密封和阻燃等特性。 现主要产品为 NBR/PVC、EPDM、CR、LC、PU、PE、PVC、XPE、IXPE等各类系列化发泡粘接件、橡塑类保温管、橡塑类保温板、PE类保温管、棉毡类隔声材料等。

4、先进材料在竞技体育器材中的应用

4.1、自行车中先进材料的使用及其对竞技体育发展的影响

自行车属于相对来说比较高效的一类运动设备，自行车的发展主要体现在自行车的车轮和车架上，自行车可以看成是一种菱形结构的变形空间，我们在选择自行车的骨架材料时，需要充分考虑材料的强度情况，而不是将成本作为第一考虑要素，碳填料是最理想的材料。如果我们将成本作为首要考虑要素的话，那么钢材是最适合应用的。在强化碳纤维复合支架的同时，也在制造混合支架，比如专注于钛和碳纤维混合材料的复合应用。根据山地自行车的稳定性要求，研制出了增强玻璃钎焊维尼纶盘式车轮。对于盘式车轮，用碳纤维或铝合金代替辐条。五辐或三辐车轮也制造，以提供优秀的侧面空气动力学和稳定性。例如，多年来环法自行车赛车手的平均速度证明，在自行车上使用碳纤维可以显著提高性能。

4.2、网球球拍中先进材料的使用及其对竞技体育发展的影响

大约30年前，网球是一项非常流行的运动，它使用的是木制球拍。在更高的水平和水平，球员使用的球拍由加蓬橄榄木和木材。在20世纪60年代，球拍的主要材料是混合球拍，随着铝或钢金属框架的逐渐应用，不仅能提高球的速度，还能减少危险的振动。如今，网球拍主要应用钛、镁、钢、铝等多种材料制成。然而，基于传递给球的更大的力，由于碳纤维混合物的高硬度比金属材料更硬，在击球时会出现频率更高的振动情况，为了最大限度减少振幅，我们需要对网球的球柄进行进一步优化，可以从球柄的使用材料着手。完美的球拍结构通常是一套聚氨酯泡沫(注射)，手柄由多层增强纤维组成的软芯组成。此外，球拍受到FR纤维的更大的颤振减振效果，所以它发展了一个非常强的刚度。石墨提供所需的硬度和强度,以避免扭力的球拍头外的“甜蜜点”击中球,这球拍的偏转头减少,可有效减少振动。

4.3、运动鞋中先进材料的使用及其对竞技体育发展的影响

在一系列的运动中，具有新技术的运动鞋随处可见，运动鞋不仅对于运动员的运动成绩和运动效果有决定性影响，对于运动员运动过程中的安全和运动员的机体安全也有重要影响，比如说，在进行田径运动时，运动员的运动情况会受到运动鞋的很大影响。对于运动鞋来说，如果没有明确对鞋钉的重量进行规定，没有明确对鞋钉的位置进行规定，但是只明确了鞋钉的直径、鞋钉的数量、鞋钉的长度等，那么我们结合科学实验的分析结果可以知道，运动员每运动一步，运动员脚上所需要承受的重量会是运动员实际体重的3倍，加上运动鞋的重量也会增加运动员运动过程中的消耗，因此在运动员参加短跑比赛时，运动鞋鞋钉对于比赛结果的影响很大，因此我们需要对运动鞋鞋钉的位置和形状进行科学的设计，此外，除了球员本身，高科技运动鞋往往是赛场上最大的亮点。阿迪达斯的“奇怪的指甲”极大地改变了足球鞋底的设计理念，彪马将他们自己的电池减震技术应用到皮雷的鞋子上，而迪亚多拉和耐克则体现了这一人体工程学设计理念。其中，耐克首次将变焦减震科技应用于足球鞋，在鞋垫的前后掌心采用减震器的形式。

4.4、泳装中先进材料的使用及其对竞技体育发展的影响

在早些时候的一项分析中，荷兰专家证实，如果游泳运动员在比赛时不穿泳衣游泳，会比穿泳衣游泳的阻力要小很多，因此我们对泳装进行改进对于运动员的意义十分重要。基于科学技术在不断发展，我们为了确保运动员游泳时运动员周边的水流是贴着身体流的，我们需要研究在泳衣中采用新材料，换句话说，虽然可以穿着泳衣进入水中，但也可以迅速排水。此外，它确保运动员的身体是美丽的流线型。2000年，研究人员对鲨鱼皮肤的研究导致了快速皮肤的设计，这是一种可以完全覆盖运动员的泳衣。鲨鱼的皮肤有粗糙的褶皱(v形)，可以让它有效地在身体表面流动，从而显著减少摩擦，让游泳者游得更快。结合这一理论，鲨鱼皮泳衣可以在游泳者后退时提供动力，模仿人类肌腱在接缝处的位置。同时，泳衣采用特氟龙纤维精心设计，基于对运动员身体的激光检测数据，实现三维设计，紧紧包裹运动员的脚踝和手腕。不仅如此，这款泳衣还模仿了人体皮肤，使用了弹性织物。事实证明，游泳运动员可以在游泳时减少3%的水阻力，使他们在1/1000s内赢得比赛。

4.5、撑杆跳撑杆中先进材料的使用及其对竞技体育发展的影响

复合材料在经过高温后又加以定型，玻璃纤维材料的撑杆弹性比较强、承载能力比较高，使用度比较高，重量比较轻，因此复合材料成为撑杆的主要制作材料。在助跑结束时，当斜孔插入时，运动员可以利用FRP杆将快速向前的能量转化为杆的变形能量。此外，在将杆弯曲到最大程度后，运动员可以利用动量将杆的变形能量向上转移。利用这项技术，美国运动员在上个世纪60-70年代里已经在这一领域取得了良好的创作人成绩，取得了世界性的垄断地位。上世纪80年代，欧洲地区的运动员逐渐在撑杆跳运动中取得优势，在撑杆跳运动的撑杆中选择了性能比较优越的纤维复合材料，因此就有了上世纪运动员取得撑杆跳6m高度的成绩，为了在撑杆跳等极限运动中取得更加优异的成绩，许多发达国家都很重视先进材料的研究和使用。

4.6、体育场地中先进材料的使用及其对竞技体育发展的影响

毫无疑问，体育场的地面材料对于运动员的运动成绩也有重要影响，体育场的地面材料还会影响运动员的运动舒适性。首先，运动员在运动的过程中，肌肉因为用力会出现不断收缩的情况，此时，运动场的地面材料如果出现问题，那么运动员很可能会出现运动损伤，因此，竞技类体育赛事中，地板材料的选择首要考虑的因素就是地板材料的性能，我们需要严格筛选具有优越性能的地板材料。当下,运动场的地板材料一般来说选择的是一种橡胶材质的地板材料，橡胶材质的地板材料相比以往的地板材料来说更加柔软、更加有弹性,这在一定程度上可以减小膝盖的用力,对脚踝和脚的影响大大减少,从而起到保护作用。此外，这种类型的地板具有空气弹性和空气弹性层，达到理想的消声效果，使地板在体育比赛期间不会出现振动；其次，由于体育竞技比赛时，运动员的运动目标是更强、更高、更快，因此，体育工作人员在竞技体育发展的过程中，希望体育竞技材料可以得到优化。与以往的体育运动材料相比，目前体育场所使用的塑料轨道弹性更高，塑料轨道的主要组成成分是高分子化学材料。高分子化学材料的优点是运动员在运动时，材料可以最大限度提高运动员离开地面的高度，这样也更利于运动员进行加速运动，有利于保护运动员的膝盖，帮助运动员增加运动的步长，最终达到帮助运动员获得更加理性比赛结果的目的。

4.7、冰雪运动体育器材的使用

体育运动的魅力，关键的前提就是运动项目中所使用的运动器材，而运动器材中，最重要的是所选用的材料，以乒乓球举例来说，乒乓球与其他运动有很大不同，乒乓球依赖运动器材，特殊材质决定了运动的核心魅力，球类运动的核心魅力源自对重力的挣脱。

5、结语

总而言之，近年在国家大力倡导全民健身的体育发展战略下，各地大众体育赛事活动蓬勃发展，群众参与热情高涨。在赛事运营中，对体育器材要求也越来越专业。同时伴随着先进体育材料在体育运动中和体育器材中的广泛应用，传统的体育活动被改变了，体育材料中的先进材料为体育竞技和体育赛事提供了更加优良的服务，体育赛事和体育材料的发展属于相互促进的关系，值得我们深入研究，将先进材料应用于运动器材中，不仅可以提高器材的性能，还可以使运动员取得更理想的成绩。