[No.8 标枪] 标枪 - 利用空气升力的飞行

自古代奥运会以来的传统项目

标枪这项传统项目是古代奥运会的五种竞技（短跑、跳远、铁饼、标枪、摔跤）之一，英语为“Javelin Throw”。标枪（Javelin）源自古时的捕猎工具，其以奔跑的姿势借力后投出。
目前的竞技标枪规格如下图所示。其主流的材料为金属（硬铝和钢材），也有些种类采用金属和CFRP（碳纤维强化塑料）亦或是复合材料。标枪虽然很长，但却意外的轻便，男子使用的标枪为800克，女子为600克。

飞行距离最远的投掷竞技

与必须在圈内投掷的链球、铅球和铁饼不同，标枪需要约30米的助跑加速，运动员要握住它并挥动手臂进行投掷（禁止转身投掷法）。竞技场中央的多功能草坪上划出的29度扇形便是投掷范围，起始线（边界线）到标枪落地时的枪尖位置之间的距离便是成绩（若枪尖以外的部位先落地，则成绩无效）。比赛时需投掷3次，取最远的一次作为成绩。

为防止超过100米而修改规则

男子标枪的正式世界纪录为98米48（J.Zelezny，1996年）。实际上，在1984年还诞生了超过100米的惊人记录（U.Hohn，104.80米）。不过，如果飞行距离太长，就会影响其它比赛，并且带来危险，因此比赛规则在1986年被修订，标枪的重心被前移4厘米，以此将飞行距离限制在100米以内（目前的公认世界纪录为男子1986年以后、女子1999年以后的成绩）。
新规则实施后，男子标枪世界纪录的变迁如下。J.Zelezny的98米48虽然优秀，但在2020年，J.Vetter取得了97m76的成绩，逼近世界纪录。在定于2022年7月举行的第18届世界田径锦标赛（俄勒冈2022）上，20多年以来始终未破的世界纪录或许将迎来新记录。

女子世界纪录的目标是超过73米

女子标枪世界纪录10杰的变迁如下。新规则实施后的世界纪录为72米28（B.Spotakova，2008年），超过70米的记录共有5个，大家都在关注谁能首先突破73米的大关。

标枪飞行距离增加的原因

影响标枪飞行距离的主要因素如下。
●助跑与姿势
●松手的时机
●空气升力
如果以相同的初速度和角度投掷铁球和标枪，标枪相比铁球的滞空时间更长，飞行距离也更远。这是由于空气升力。下图形象地展示了标枪的飞行轨迹。绿色虚线为铁球的抛物线。可以看出，标枪的飞行轨迹在后半段大幅延伸。这就像是扔纸飞机的时候，它一开始会平稳飞行，之后会缓缓落地。

松手的姿势与时机

松手的姿势与时机将会大幅影响标枪的飞行距离。增加助跑的速度后，跳起，首先右脚落地，然后全身弯曲，左脚落地后蹬踏，全力挥舞右臂，然后松手（右手投掷的情况下）。这套投掷动作耗时约为0.4秒。
根据装有加速传感器的标枪进行的试验解析，如下图所示，松手前的约0.1秒内，标枪受到的加速度急剧上升，加速度曲线的最高值越高，飞行距离越长。据此，采用合适的姿势与松手时机，不浪费助跑所急需的动能和肌肉能量是重中之重。

空气升力相关的“迎角”

松手时的标枪角度和空气升力有着深层次的关系。如下图所示，松手瞬间的标枪姿态角和投射角（飞行方向）的差值便是迎角。迎角越大，就会越快失速，而迎角越小，升力的做功也会越少，两者的极端都无法增加飞行距离。为此，需要考虑风向，以最合适的迎角来投出。

标枪的弯曲和振动也对飞行距离有着微妙的影响。具有适当柔韧性的标枪更方便投掷，投出后的振动衰竭越快，飞行距离就越长。
标枪的尺寸和形状、重量、重心位置等都有详细规定，但内部构造和质量分布却没有定论。弯曲和振动对飞行距离的影响也尚未得到充分研究，若是材料和设计合适，100米恐怕也并非遥不可及。

支持体育科学的TDK产品与技术——MEMS压力传感器

测量弯曲和振动的传感器中包括运动传感器。人类的感官除了所谓的五感（视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉）之外，还有用于检测动作和姿势的运动感官。乘坐汽车时，即使闭上眼睛，也能感觉到启动和刹车、弯道和陡坡等情况，其原因就在于此。与这种运动感官所对应的就是运动传感器。
MEMS传感器是由加速度和角速度传感器组合而成的复合传感器，其使用MEMS（微型电子机械系统）工艺制作而成，该工艺应用了半导体制作流程中的细微加工技术。
上述两者都是由硅基板上的振动子、梳子型的可动电极和固定点击构成的。例如，MEMS加速度传感器的振动子会在受到加速度时产生弯曲，导致电极间的静电容量变化。通过检测它就能算出加速度。这和电容式麦克风的静电容原理是一样的。MEMS加速度传感器的基本原理如下（图为简化图，实际构造更加复杂）。

TDK的IMU（惯性测量单元）是将MEMS加速度传感器和MEMS角速度传感器整合在一起的小型、高性能运动传感器。我们提供多种产品，包括3轴加速度传感器和3轴角速度传感器合成的6轴IMU、气压传感器合成的7轴IMU、3轴磁性传感器（电子罗盘）合成的9轴IMU等，可用于无人机、汽车导航系统等多种用途。