术语解释：当对弹性体施加力（应力）时，弹性体的形状会发生变化（应变），单位应变所需的应力为“弹性模量”“

载荷-变形图，三角形的面积代表支撑杆储存的弹性势能

对于支柱来说，弹性势能主要是由弯曲变形引起的，主要受到影响的力学参数是弯曲刚度EI和最大弯矩M。如果将不同材料的支柱几何尺寸限制为相同，则相应材料的关键力学参数变为弹性模量E和弹性强度σ . 弹性强度是指弹性材料抵抗外力破坏的能力，也就是说弹性强度越大，支柱越坚固.

然而，现实世界的材料存在这样一个矛盾：弹性模量越小，弹性强度越低。

如下面的Ashby弯曲模量-强度图所示，无论是天然材料还是合成材料，它们主要分布在Ashby相图的对角线上。彩色虚线之间的面积一般与弹性模量和强度呈正相关（这里是一个相对概念）；图的左上和右下区域是空白的。

从Ashby相图中看支柱材料的选择，横坐标为弯曲模量，纵坐标为强度

根据前面的分析，支柱材料的选择和开发是接近红色箭头的左上角为可能的，即弹性模量尽量小，弹性强度尽量大。这就需要不断克服材料设计中模量和强度之间的天然矛盾。

在要求密度尽可能低以保证轻量化设计的条件下，人们希望支柱材料能够平衡弹性模量E和弹性强度σ，使弹性势能 图中围起来的面积尽可能大，才能“弯曲而不弯曲”！

表1 典型支撑材料属性

图表来源：参考文献[5]

< p>典型撑杆的材料特性如表1所示。竹撑杆弹性模量低但强度低，易折断，可用下图中的材料B表示;金属撑杆虽然不易折断，但其弹性模量相对较高，如材料A所示。综合考虑，两者在弹性储能方面差别不大，这也体现在奥运纪录的差距上这两种材料所造成的支柱并不明显。

复合支柱的出现在一定程度上突破了两者的性能限制，如图中C点所示，带来了更大的势能储存。

不同支柱材料的最大弹性势能比较（图片来源（作者提供）

因此，现代复合支柱通常分为三层：外层为高强度碳纤维增强环氧树脂，中间层是玻璃纤维带状织物，内层为环形玻璃纤维，这种复合材料和结构充分利用了碳纤维的轻质高强和玻璃纤维相对较低的模量和高强度的优点。

复合支柱内部结构示意图（图片来源：参考文献[1])

走向新的视野

1940年代，冯·卡门、钱学森等着《走向新的视野》 New Horizo??ns”（迈向新的高度），阐明了“科学是掌握制空权的基础”，将人类带入超音速飞行时代。同样，技术变革体现在小极点上，这也可能有助于人类跨越到更高的新视野。石墨烯等新型高性能纳米材料的使用，可能会让撑杆跳的成绩更上一层楼。

"撑杆冲刺、撑杆跳、撑杆翻转、放下垫子上，运动员在空中划出了一道美丽的弧线……”。杆子蕴含着“更高、更快、更强”的奥运精神，是运动员与杆子之间速度、力量、技巧的完美结合。撑杆跳不仅是对人体极限的挑战，也是对材料性能极限的挑战。

参考资料：

[1] 撑杆跳的未来。鲍文、格洛丽亚·布鲁姆、艾玛·基林、凯蒂·温、布兰登。 (2017)。

[2] 博登 BP。在过去十年中，灾难性的撑竿跳高伤害有所增加。是 J Sports Med。 2012;40:1488-1494.

[3] 撑杆跳技术进展与材料发展，于翔、张孔军、陈茹（2014）。

[4] 聚合物涂层中机械损伤的自主指示。 Li, W., Matthews, CC, Yang, K., Odarczenko, MT, White, SR, Sottos, NR 17 (2016)。

[5] 王震，戴英，吉星。复合杆性能对撑杆跳高高度的影响。力学与实践，2008 年 6 月。

< p>[6] 魏德民，张恒。电杆力学性能和撑杆跳高影响因素研究[J].力学与实践，2008 年 6 月。

[7] 于翔、张孔军、陈茹。撑杆跳技术进步与材料发展。 Metal World，第 3 期，2014 年。

来源：参考资料

文章来源：《力学与实践》 网址: http://www.lxysjzz.cn/zonghexinwen/2021/0809/646.html