運(yùn)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(yùn)會上，美國運(yùn)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(yùn)動的阻力。當(dāng)時(shí)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(yùn)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(yùn)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(yàn)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(shí)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(jì)，因?yàn)樗鼈兛瓷先ネ耆翱湛杖缫病?。其?shí)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(yùn)動實(shí)際都是在 “空氣海洋”的底部進(jìn)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(yùn)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(yùn)動員身體表面產(chǎn)生的摩擦力了（圖３）。

（３）空氣與運(yùn)動員體表產(chǎn)生摩擦力示意圖

1896年第一屆雅典奧運(yùn)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(yùn)會的馬拉松比賽出發(fā)前，人們才七手八腳將古巴運(yùn)動員費(fèi)力克斯·卡哈爾的袖子和褲腿剪掉（圖４）。早期奧運(yùn)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(yùn)會的馬拉松比賽出發(fā)前古巴運(yùn)動員費(fèi)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(yùn)動會參與者著裝很隨意

此后奧運(yùn)會田徑場上，寬袍大袖迎風(fēng)飄揚(yáng)的裝束很難看到了。運(yùn)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(jìn)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(yùn)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(diǎn)，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(yàn)到一種“切入空氣”的感覺，一溜煙奪取了400米比賽金牌。

運(yùn)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(yùn)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(hù)作用而防止肌肉顫動。最新的運(yùn)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(yùn)動中延遲空氣邊界層分離點(diǎn)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(shí)間上百分之一秒的產(chǎn)出。

自行車運(yùn)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(yùn)動員頭部的自然外形，讓高速前進(jìn)中的渦流效應(yīng)最小化（圖６）。試驗(yàn)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(yùn)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?yàn)榭諝庾枇陀L(fēng)面的截面積成正比。不過在有些運(yùn)動中，我們卻可以把體位大致恢復(fù)到四肢行走時(shí)的狀況。自行車、溜冰、滑雪等項(xiàng)目中運(yùn)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(shí)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(jī)便有風(fēng)洞的功勞。根據(jù)運(yùn)動的相對性和相似性原理，物體在靜止的空氣中運(yùn)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(gè)固定管道內(nèi)制造出可控制的氣流，模擬物體在空氣中運(yùn)動時(shí)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)。現(xiàn)代體育運(yùn)動廣泛使用了風(fēng)洞這種航空試驗(yàn)設(shè)施。從科研機(jī)構(gòu)到大牌廠家，都通過各種風(fēng)洞試驗(yàn)來改進(jìn)人體姿勢和器材形態(tài)，尋找運(yùn)動服、運(yùn)動鞋生產(chǎn)的最佳工藝與材質(zhì)（圖７）。

（７）運(yùn)動員在風(fēng)洞試驗(yàn)中

1960年被斯闊谷冬奧會列入正式比賽項(xiàng)目的冰道雪橇大約是人類在空氣中最快的運(yùn)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(shí)140公里的吉尼斯紀(jì)錄，這是一個(gè)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(yùn)動員承受7個(gè)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(jì)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(xiàng)運(yùn)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(xiàng)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(shí)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(jī)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(jìn)為雙臂向后靠緊臀部，使空氣阻力進(jìn)一步減少。此時(shí)跳雪運(yùn)動員的身體已經(jīng)成了一個(gè)“飛行器”，從側(cè)面看去，酷似一架飛機(jī)機(jī)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(shí)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(gè)“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?yàn)殄e(cuò)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(yùn)動員最知道它的分量。奧運(yùn)百年間，我們的無限心血和億萬財(cái)富都是為了對付“空氣”而花費(fèi)的。要想提高運(yùn)動成績，那就必須了解空氣，并不斷學(xué)會同空氣打交道。