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体育运动的魅力之一便是勇猛拼搏和激烈对抗。竞技场上到处都有速度的飞翔，力量的击打，身体的冲撞。如何确保运动员“血肉之躯”的安全，从来是体育比赛头等重要的课题。瞧瞧冰球选手们“顶盔贯甲”、全副武装的那身打扮，简直不亚于太空中的宇航员。当170克重的硬橡胶冰球以每小时160多公里的速度在场上往复弹射，平均体重80多公斤的对手在高速滑行中互相“合理冲撞”时，即使有这些头盔、护胸、护肘、护腿、护裆的全方位保护，赛场上的人身事故仍时有发生。今日的体育运动如果离开了护具，许多项目将根本无法开展（图1）。
（1）图组:全副武装的冰球运动员
运动员的第一个关照部位自然是脑袋。人的颅骨和脊液虽然对大脑有着良好的保护作用，但运动中猛烈的冲击力很容易造成颅骨骨折、脑震荡、脑挫伤、硬膜下出血等后果。2005年美国职业棒球联赛中，波士顿红袜队著名投手马特·克莱门特头部中球当场倒地，被抬出场外急救；2007年接替布莱尔担任英国首相的戈登·布朗曾在高中时代一次橄榄球比赛中头部严重受伤，导致视网膜脱落而几乎完全失明;捷克足球国家队“门神”彼得·切赫被对方前锋踢中太阳穴引起颅骨断裂险些丧命。粗略统计，美国每年约160万人次的头部创伤和体育运动有关（图2）。
（2）在众多运动中对于头部的保护是至关重要的
拳击比赛中密集而沉重的打击主要是对准脑袋，2008年伊始，韩国“拳坛不倒翁”崔尧三成功卫冕之后魂断拳台的消息令人唏嘘。拳击运动员头部长期承受打击还会带来慢性脑损伤和颅压及脑血流改变。有人认为，拳王阿里的诸多神经症状不能不归咎于头部多年来被“零敲碎打”的“积累效应”(图3)。
（3）拳击运动中一记重拳足以使运动员颅骨损伤
我们所熟悉的台球和“钢珠碰球”这类弹性碰撞中，无论“正碰”或者“斜碰”，小球的动能和速度都会发生传递和交换，但总动量保持不变。对于运动员的头部来说，器械和肢体的碰撞大都属于非弹性的“斜碰”，不仅会带来颅骨与脑的线性运动和绕颈部的切向运动，还会带来头部的结构性改变。由于动量等于质量和速度的乘积，因此撞击物的质量越大、速度越大、“制动”时间越短，冲击力就越大。在球场上和自行车、滑冰等高速运动中，保护头部的“硬”措施是佩戴头盔，让玻璃钢和碳纤维外壳通过形变吸收部分动能，同时，和头部曲率半径相近的海绵衬垫层与悬挂结构将碰撞中“尖锐”的“点接触”变成“平缓”的“面接触”，从而减小压强并延长碰撞作用时间，起到“摊薄”冲击力的“缓冲作用”。
早期职业拳击赛不戴手套，1853年美国拳坛双雄沙利文和莫利西的疯狂对决被法庭判为野蛮斗殴而锒铛入狱。奥运拳击赛和职业拳击赛最大的不同在于确保了竞赛的安全性，奥运拳击头盔须用“软”材料制成，以便同时保护对手的拳头。奥运拳击的另一“软”措施是使用大而厚的拳击手套来“软化”运动员的“铁拳”。和职业拳击小而薄的226克手套相比，奥运拳击284克的手套打中对方时接触面积更大，拳套柔软层被压缩的距离更长，从而延缓了拳头制动的时间，使得运动员瞬间承受的冲击力更小（图4）。
（4）奥运拳击赛（右图）和职业拳击赛（左图）装束上的不同
看到拳击选手和橄榄球运动员在休息时吐出嘴里的牙套，人们常常不明白这个小玩意为何物。惊人的数字显示，美国每年在运动场上被打掉的牙齿约500万颗。牙套的英文名字可直译为“护嘴”，在各种冲击性运动中使用牙套，可以大大减少“满地找牙”的受伤者。人的牙齿本来十分坚固并具有惊人的力量，杂技演员靠牙齿的咬合能将身体悬在空中。但这是靠着咬肌的整体力量，单个牙齿往往是不堪一击的。弹性塑胶制成的牙套能使彼此孤立的牙齿“联合起来”，特别在咬紧牙关后，牙齿的“砖块”筑成了牙齿的“长城”。当“众志成城”的上下牙列共同承担冲击时，就不会被“各个击破”了。牙套还能改变外力作用时嘴唇和牙齿的“硬接触”，起到良好的缓冲作用，并减轻对颈椎的震荡。如今市场上批量生产的成品牙套不能做到适合每个人的口型，有一种经热水烫过后变得可塑，在口中咬合并冷却后能固定形状的牙套效果更好，而理想的牙套应该如安装义齿一样，请专业的牙医取模定做,才能确保适当的厚度和紧密的接触。
绿茵场上激烈的拼抢最容易引起运动员腿部和脚部骨折，许多世界一流球队都曾在重大比赛前“伤兵满营”而实力大减。人体骨组织承受的力可分为压缩、拉伸、弯曲、剪切、扭转等。在适当负荷作用下，骨头能产生弹性形变，应力消除后恢复原状。如果骨组织承受的负荷超过了弹性范围而达到“屈服点”，带来的形变在外力消除后便不能复原，这种因结构被破坏而导致的“塑性形变”就是骨折了。骨骼的抗压强度最好，抗拉次之，却容易在弯曲张力和剪切力作用下受到损害。足球运动中的踢、蹬、铲等动作往往将极大的切向力作用在球员的腿上。因此护腿板已经成为足球比赛最重要的“分段保护”措施。护腿板用轻质而具有刚性的复合材料制成，如同给运动员的小腿平添了一层“甲壳”。受到冲击时，护腿板不仅能扩大胫骨受力面积而降低压强，还能总体改变腿的受力角度，减小在骨骼内产生的弯曲力矩和剪切效应，防止骨折发生。
?人类从四肢行走到直立行走后带来的一大弊端，便是因身体的“软肋”和“软腹部”暴露无遗而更容易受到攻击。在许多对抗性激烈的竞赛中，女运动员使用特制的护胸，男选手穿上合身的护裆，其作用不仅在于将冲击力量分散减弱，还能使受力点向四周转移，让邻近更加“抗打耐压”的部位代替“娇嫩脆弱”的部位来承受攻击（图5）。
(5) 护齿、护腿、护胸、护裆
举重腰带的保护功能则另有名堂。一项试验表明，当沉重的杠铃高举过头时，运动员的骨组织和椎间盘软组织受到压缩，身体可被压矮3.59毫米，如果系上宽阔的腰带，不仅能保护肌肉和软组织免受伤害，还能凭借腹腔内容物的支撑作用帮助脊椎骨承担部分负荷，使身体被压矮的程度减少到2.87毫米。
当美国选手莱恩把棒球投到每小时164.1公里的纪录时，我们便不难理解棒球“捕手”所带的手套为何如此肥硕了（图6）。这种手套的海绵内衬比其他手套厚得多，其功能在于缓冲来球巨大的冲击力。我们由此自然而然想到了运动场上的海绵包和海绵坑。
（6）带着特制手套的棒球运动员
随着人类的跳高成绩节节攀升，便应了一句古话“跳得越高摔得越重”。今日的撑杆跳世界纪录为6.14米， “自由落体”从这一高度落地时，速度可达每秒10米，如果没有缓冲手段，运动员等于经历一次“跳楼”。最初的跳高从草地上起跳并在草地上“着陆”，剪式、滚式跳高出现后开始使用和跳远相同的沙坑，后来的跳高沙坑不再是“坑”了，沙面也不再和地面平齐，而成了沙层增厚并高出地面20厘米～30厘米的“沙台”，有时还在沙中添加锯末以增加疏松程度。早期的海绵坑曾让运动员在一大堆杂碎海绵中“陷于灭顶”，直到现代海绵包的出现，才带来了跳高运动的真正安全并让背越式跳高成为可能。使物体动量改变的原因是冲量，它是力和作用时间的乘积。“跳楼”状态下的身体落在硬地上，全部动量在大约百分之一秒间变化为零，因此承受极大的冲击力。厚厚的沙层延长了身体动量改变的时间，所以减少了冲击力。从运动员落到海绵包表面受到弹性阻力到海绵包被压缩到最大距离，约经历1秒钟，是硬地制动时间的近百倍，因此承受的冲击力也减小到近百分之一。加上身体陷在海绵包中的大面积接触带来压强减小，海绵包高于地面约80厘米使重力的作用时间和作用距离减少，都确保了跳高运动员安全舒适的“软着陆”。这和汽车发生碰撞事故时释放气囊的作用又殊途同归了(图7)。
(7) 早期跳高选手落在海绵坑上
射箭运动员在持弓的手臂上佩戴一块护臂，这是为了防止高速运动的弓弦回弹时擦伤皮肤；皮革制成的护掌为体操运动员手上“长”了最结实的“老茧”，能防止在单杠大回环等动作中磨出水泡和揭去手皮，并能够有效提高握力；护膝、护腕、护指、护踝、护肩、护肘，它们有的能防止直接伤害，有的能让肢体更有效工作，众多的护具可以列出一副长长的清单。
体育的终极意义在于强健体魄和增进健康，运动中人的安全越来越成为现代文明重要的价值取向。科技对体育的作用不仅在于提高成绩，同时也用“软硬兼备”的手段佑护着运动员“出入平安”。反过来，赛场上的安全感是提高成绩的根本保证。
（1）图组:全副武装的冰球运动员
运动员的第一个关照部位自然是脑袋。人的颅骨和脊液虽然对大脑有着良好的保护作用，但运动中猛烈的冲击力很容易造成颅骨骨折、脑震荡、脑挫伤、硬膜下出血等后果。2005年美国职业棒球联赛中，波士顿红袜队著名投手马特·克莱门特头部中球当场倒地，被抬出场外急救；2007年接替布莱尔担任英国首相的戈登·布朗曾在高中时代一次橄榄球比赛中头部严重受伤，导致视网膜脱落而几乎完全失明;捷克足球国家队“门神”彼得·切赫被对方前锋踢中太阳穴引起颅骨断裂险些丧命。粗略统计，美国每年约160万人次的头部创伤和体育运动有关（图2）。
（2）在众多运动中对于头部的保护是至关重要的
拳击比赛中密集而沉重的打击主要是对准脑袋，2008年伊始，韩国“拳坛不倒翁”崔尧三成功卫冕之后魂断拳台的消息令人唏嘘。拳击运动员头部长期承受打击还会带来慢性脑损伤和颅压及脑血流改变。有人认为，拳王阿里的诸多神经症状不能不归咎于头部多年来被“零敲碎打”的“积累效应”(图3)。
（3）拳击运动中一记重拳足以使运动员颅骨损伤
我们所熟悉的台球和“钢珠碰球”这类弹性碰撞中，无论“正碰”或者“斜碰”，小球的动能和速度都会发生传递和交换，但总动量保持不变。对于运动员的头部来说，器械和肢体的碰撞大都属于非弹性的“斜碰”，不仅会带来颅骨与脑的线性运动和绕颈部的切向运动，还会带来头部的结构性改变。由于动量等于质量和速度的乘积，因此撞击物的质量越大、速度越大、“制动”时间越短，冲击力就越大。在球场上和自行车、滑冰等高速运动中，保护头部的“硬”措施是佩戴头盔，让玻璃钢和碳纤维外壳通过形变吸收部分动能，同时，和头部曲率半径相近的海绵衬垫层与悬挂结构将碰撞中“尖锐”的“点接触”变成“平缓”的“面接触”，从而减小压强并延长碰撞作用时间，起到“摊薄”冲击力的“缓冲作用”。
早期职业拳击赛不戴手套，1853年美国拳坛双雄沙利文和莫利西的疯狂对决被法庭判为野蛮斗殴而锒铛入狱。奥运拳击赛和职业拳击赛最大的不同在于确保了竞赛的安全性，奥运拳击头盔须用“软”材料制成，以便同时保护对手的拳头。奥运拳击的另一“软”措施是使用大而厚的拳击手套来“软化”运动员的“铁拳”。和职业拳击小而薄的226克手套相比，奥运拳击284克的手套打中对方时接触面积更大，拳套柔软层被压缩的距离更长，从而延缓了拳头制动的时间，使得运动员瞬间承受的冲击力更小（图4）。
（4）奥运拳击赛（右图）和职业拳击赛（左图）装束上的不同
看到拳击选手和橄榄球运动员在休息时吐出嘴里的牙套，人们常常不明白这个小玩意为何物。惊人的数字显示，美国每年在运动场上被打掉的牙齿约500万颗。牙套的英文名字可直译为“护嘴”，在各种冲击性运动中使用牙套，可以大大减少“满地找牙”的受伤者。人的牙齿本来十分坚固并具有惊人的力量，杂技演员靠牙齿的咬合能将身体悬在空中。但这是靠着咬肌的整体力量，单个牙齿往往是不堪一击的。弹性塑胶制成的牙套能使彼此孤立的牙齿“联合起来”，特别在咬紧牙关后，牙齿的“砖块”筑成了牙齿的“长城”。当“众志成城”的上下牙列共同承担冲击时，就不会被“各个击破”了。牙套还能改变外力作用时嘴唇和牙齿的“硬接触”，起到良好的缓冲作用，并减轻对颈椎的震荡。如今市场上批量生产的成品牙套不能做到适合每个人的口型，有一种经热水烫过后变得可塑，在口中咬合并冷却后能固定形状的牙套效果更好，而理想的牙套应该如安装义齿一样，请专业的牙医取模定做,才能确保适当的厚度和紧密的接触。
绿茵场上激烈的拼抢最容易引起运动员腿部和脚部骨折，许多世界一流球队都曾在重大比赛前“伤兵满营”而实力大减。人体骨组织承受的力可分为压缩、拉伸、弯曲、剪切、扭转等。在适当负荷作用下，骨头能产生弹性形变，应力消除后恢复原状。如果骨组织承受的负荷超过了弹性范围而达到“屈服点”，带来的形变在外力消除后便不能复原，这种因结构被破坏而导致的“塑性形变”就是骨折了。骨骼的抗压强度最好，抗拉次之，却容易在弯曲张力和剪切力作用下受到损害。足球运动中的踢、蹬、铲等动作往往将极大的切向力作用在球员的腿上。因此护腿板已经成为足球比赛最重要的“分段保护”措施。护腿板用轻质而具有刚性的复合材料制成，如同给运动员的小腿平添了一层“甲壳”。受到冲击时，护腿板不仅能扩大胫骨受力面积而降低压强，还能总体改变腿的受力角度，减小在骨骼内产生的弯曲力矩和剪切效应，防止骨折发生。
?人类从四肢行走到直立行走后带来的一大弊端，便是因身体的“软肋”和“软腹部”暴露无遗而更容易受到攻击。在许多对抗性激烈的竞赛中，女运动员使用特制的护胸，男选手穿上合身的护裆，其作用不仅在于将冲击力量分散减弱，还能使受力点向四周转移，让邻近更加“抗打耐压”的部位代替“娇嫩脆弱”的部位来承受攻击（图5）。
(5) 护齿、护腿、护胸、护裆
举重腰带的保护功能则另有名堂。一项试验表明，当沉重的杠铃高举过头时，运动员的骨组织和椎间盘软组织受到压缩，身体可被压矮3.59毫米，如果系上宽阔的腰带，不仅能保护肌肉和软组织免受伤害，还能凭借腹腔内容物的支撑作用帮助脊椎骨承担部分负荷，使身体被压矮的程度减少到2.87毫米。
当美国选手莱恩把棒球投到每小时164.1公里的纪录时，我们便不难理解棒球“捕手”所带的手套为何如此肥硕了（图6）。这种手套的海绵内衬比其他手套厚得多，其功能在于缓冲来球巨大的冲击力。我们由此自然而然想到了运动场上的海绵包和海绵坑。
（6）带着特制手套的棒球运动员
随着人类的跳高成绩节节攀升，便应了一句古话“跳得越高摔得越重”。今日的撑杆跳世界纪录为6.14米， “自由落体”从这一高度落地时，速度可达每秒10米，如果没有缓冲手段，运动员等于经历一次“跳楼”。最初的跳高从草地上起跳并在草地上“着陆”，剪式、滚式跳高出现后开始使用和跳远相同的沙坑，后来的跳高沙坑不再是“坑”了，沙面也不再和地面平齐，而成了沙层增厚并高出地面20厘米～30厘米的“沙台”，有时还在沙中添加锯末以增加疏松程度。早期的海绵坑曾让运动员在一大堆杂碎海绵中“陷于灭顶”，直到现代海绵包的出现，才带来了跳高运动的真正安全并让背越式跳高成为可能。使物体动量改变的原因是冲量，它是力和作用时间的乘积。“跳楼”状态下的身体落在硬地上，全部动量在大约百分之一秒间变化为零，因此承受极大的冲击力。厚厚的沙层延长了身体动量改变的时间，所以减少了冲击力。从运动员落到海绵包表面受到弹性阻力到海绵包被压缩到最大距离，约经历1秒钟，是硬地制动时间的近百倍，因此承受的冲击力也减小到近百分之一。加上身体陷在海绵包中的大面积接触带来压强减小，海绵包高于地面约80厘米使重力的作用时间和作用距离减少，都确保了跳高运动员安全舒适的“软着陆”。这和汽车发生碰撞事故时释放气囊的作用又殊途同归了(图7)。
(7) 早期跳高选手落在海绵坑上
射箭运动员在持弓的手臂上佩戴一块护臂，这是为了防止高速运动的弓弦回弹时擦伤皮肤；皮革制成的护掌为体操运动员手上“长”了最结实的“老茧”，能防止在单杠大回环等动作中磨出水泡和揭去手皮，并能够有效提高握力；护膝、护腕、护指、护踝、护肩、护肘，它们有的能防止直接伤害，有的能让肢体更有效工作，众多的护具可以列出一副长长的清单。
体育的终极意义在于强健体魄和增进健康，运动中人的安全越来越成为现代文明重要的价值取向。科技对体育的作用不仅在于提高成绩，同时也用“软硬兼备”的手段佑护着运动员“出入平安”。反过来，赛场上的安全感是提高成绩的根本保证。