運動在“空氣海洋”底部

科技之光

人類百米成績第一次突破10秒大關(guān)是在1968年墨西哥奧運會上，美國運動員吉姆·海因斯以9秒95的成績刷新了世界紀(jì)錄（圖１）。但不少人對這次海拔2300米處的“高原盛會”持保留態(tài)度，認(rèn)為墨西哥城稀薄的空氣減少了對速度型運動的阻力。當(dāng)時的國際奧委會主席布倫·戴奇說了一句很經(jīng)典的話:（圖２）“奧運會屬于全世界人民，而不僅僅屬于海平面地區(qū)?！?/p>

（１）1968年墨西哥奧運會上吉姆·海因斯刷新了世界紀(jì)錄

（２）有著豐富體育競技經(jīng)驗的國際奧委會主席布倫·戴奇

?不過，墨西哥賽場跑道上的空氣密度確實比海平面地區(qū)要小將近30%。人們往往認(rèn)為空氣阻力可以忽略不計，因為它們看上去完全“空空如也”。其實只要在奔馳的汽車上將手伸出窗外，就能立刻領(lǐng)略到空氣的存在。攝氏零度的海平面上，每立方米空氣重1,293克，隨著海拔升高，空氣柱的密度不斷遞減。我們的一切運動實際都是在 “空氣海洋”的底部進行。

?如同跳到水中會被“打濕”一樣，我們在“空氣海洋”中也會被“打濕”，渾身上下的表面附著一層薄薄的空氣。當(dāng)奔跑的運動員把空氣從前面的位置推開，身體周圍的環(huán)流就會在身后形成低壓的渦流區(qū)，這種“壓差阻力”和奔跑速度的平方成正比。此外需要克服的，便是空氣和運動員身體表面產(chǎn)生的摩擦力了（圖３）。

（３）空氣與運動員體表產(chǎn)生摩擦力示意圖

1896年第一屆雅典奧運會上，各國選手穿著五花八門的日常服裝，跑起來不僅礙手礙腳而且兜風(fēng)灌氣，大大增加了空氣阻力。1904年圣路易奧運會的馬拉松比賽出發(fā)前，人們才七手八腳將古巴運動員費力克斯·卡哈爾的袖子和褲腿剪掉（圖４）。早期奧運會“成績羞澀”，很大程度歸咎于選手們的“一身行頭”（圖５）。

（４）1904年圣路易奧運會的馬拉松比賽出發(fā)前古巴運動員費力克斯·卡哈爾才意識到自己的長衣長褲將不利于比賽成績

（５）早期運動會參與者著裝很隨意

此后奧運會田徑場上，寬袍大袖迎風(fēng)飄揚的裝束很難看到了。運動服日益緊湊貼身，背心短褲連成一體，這種對選手的“包裝”能“削平”軀體表面的“凸凹”，“抹圓”四肢連接處的“棱角”，對人體進行局部的“流線處理”。加上不用一針一線的熱接合技術(shù)，使衣服成為“天衣無縫”的整體，甚至消除了最微小的褶皺，使空氣的阻力大為減少。2000年悉尼奧運會的跑道上，澳大利亞土著女選手弗里曼身穿的“奇裝異服”成為全世界目光的焦點，這種用五種不同紋理走向的纖維材料制成的“快衣”把弗里曼“從頭到腳全包了”，她在“第二層皮膚”中體驗到一種“切入空氣”的感覺，一溜煙奪取了400米比賽金牌。

運動服面料和質(zhì)地同樣在悄然變化。從棉、麻、絲到合成纖維，都曾成為不同運動服的上選。柔韌而富有彈性的“萊卡”則不僅具有良好的空氣動力學(xué)性能，還能對肢體起到支護作用而防止肌肉顫動。最新的運動服在特殊區(qū)域還刻意處理成細(xì)密的紋理和凹陷，如同高爾夫球上的“麻子臉”那樣能在運動中延遲空氣邊界層分離點而減少阻力。至于自行車服、溜冰服、滑雪服選用的各種鍍鋁、鍍鈦材料，通體閃耀著金屬的光澤，簡直如高級轎車的表面一般。廠商和研究人員在金錢上成千上萬的投入，往往只是為了時間上百分之一秒的產(chǎn)出。

自行車運動的頭盔不僅為了防止跌傷，更為了降低騎行中的空氣阻力。也不僅為了避免長發(fā)飄飄，而是以頭盔的水滴狀外形取代運動員頭部的自然外形，讓高速前進中的渦流效應(yīng)最小化（圖６）。試驗顯示，戴上頭盔的風(fēng)阻明顯小于“剃光頭”的風(fēng)阻。

（６）新式頭盔有著它特殊的造型與作用

令人泄氣的是，人類在空氣中運動的體型不僅不能和鳥類相比，甚至不能和直立行走之前相比。因為空氣阻力和迎風(fēng)面的截面積成正比。不過在有些運動中，我們卻可以把體位大致恢復(fù)到四肢行走時的狀況。自行車、溜冰、滑雪等項目中運動員躬下身體成90度，背部保持和地面平行，便已經(jīng)大致找回了人類直立行走前奔跑時對風(fēng)的感覺。

風(fēng)洞的問世已經(jīng)有一百三十多年了。萊特兄弟1903年發(fā)明第一架飛機便有風(fēng)洞的功勞。根據(jù)運動的相對性和相似性原理，物體在靜止的空氣中運動所受到的各種空氣動力作用，與物體不動而空氣以同樣的速度反向吹來效果相同。于是人們便在一個固定管道內(nèi)制造出可控制的氣流，模擬物體在空氣中運動時周圍的流場，通過傳感器測出它在風(fēng)中所受的阻力、升力、壓力等參數(shù)?，F(xiàn)代體育運動廣泛使用了風(fēng)洞這種航空試驗設(shè)施。從科研機構(gòu)到大牌廠家，都通過各種風(fēng)洞試驗來改進人體姿勢和器材形態(tài)，尋找運動服、運動鞋生產(chǎn)的最佳工藝與材質(zhì)（圖７）。

（７）運動員在風(fēng)洞試驗中

1960年被斯闊谷冬奧會列入正式比賽項目的冰道雪橇大約是人類在空氣中最快的運動了，選手們仰面朝天、兩腳朝前躺在金屬和玻璃鋼制成的雪橇上，沿著長約1.5公里，落差120米的冰道高速滑下。國際大賽中獲得過25塊金牌的美國選手托尼.班休夫創(chuàng)造出了每小時140公里的吉尼斯紀(jì)錄，這是一個在高速公路駕車也要吃罰單的速度。急驟的彎道上，巨大的離心力能讓運動員承受7個重力加速度的壓力。平躺的流線型姿勢，按照空氣動力學(xué)原理設(shè)計的冰橇、服裝、手套、頭盔、面罩、靴子等，共同成就了這一極限速度。

而奧林匹克各項運動中最接近于飛翔的比賽要數(shù)跳臺滑雪。這是從1924年法國夏蒙尼首屆冬奧會延續(xù)至今的招牌項目。選手們腳踏滑雪板，沿著長100米、傾斜角近40度的助跳滑道獲得每小時100公里的高速，然后利用慣性力和彈跳力縱身一躍，從90米和120米級跳臺的“懸崖”飛向空中，再沿拋物線“空降”到下面隨勢延伸的雪坡。2002年鹽湖城冬奧會上，瑞士跳雪選手西蒙.阿曼空中“飛”了130米遠(yuǎn)，2005年斯洛文尼亞舉行的世界杯比賽中，挪威選手羅摩艾倫創(chuàng)造了飛行跳雪239米的世界最高紀(jì)錄。比當(dāng)年萊特兄弟的飛機第一次飛行距離長5倍。

這是最優(yōu)美而華麗的空中姿態(tài)，早期的跳雪動作讓身體和滑雪板盡量平行，雙臂伸向前方，后來改進為雙臂向后靠緊臀部，使空氣阻力進一步減少。此時跳雪運動員的身體已經(jīng)成了一個“飛行器”，從側(cè)面看去，酷似一架飛機機翼的剖面圖。氣流在平直的滑雪板下流速較低，在頭肩隆起的人體背部流速較高，從而形成向上的升力，為跳得更遠(yuǎn)贏得了呆在空中的更多時間。1985年，瑞典選手簡.波卡羅夫首創(chuàng)了將兩只平行的滑雪板變?yōu)閂字形，也就是一個“外八字”。使飛行距離提高了10%并成為跳雪的標(biāo)準(zhǔn)動作。雖然兩只滑雪板成V字的空氣阻力大于平行的滑雪板，但它們因為錯開了身體的投影位置而增加了升力。因此，恰如其分的“升阻比”是流體力學(xué)常常需要面臨和回答的問題（圖８）。

（８）I字形與V字形“升阻比”對比

對于看不見、摸不著、無色無臭的空氣，運動員最知道它的分量。奧運百年間，我們的無限心血和億萬財富都是為了對付“空氣”而花費的。要想提高運動成績，那就必須了解空氣，并不斷學(xué)會同空氣打交道。