“風洞”減阻助力更快更高

汪家道，清華大學機械工程系主任，教授，國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項——冬季項目運動減阻關鍵技術及平臺研究項目負責人。

長期從事運動員姿態(tài)減阻、裝備減阻研究，提出基于粘性底層內(nèi)表面橫向微凹槽構建微旋渦的氣動微旋渦減阻技術、基于超疏水效應和水下三相結(jié)構誘導水蒸發(fā)的水下微空泡減阻技術，發(fā)展了基于柔性壓印的表面微結(jié)構加工方法。在風洞訓練、姿態(tài)優(yōu)化、冰雪表面的摩擦減阻優(yōu)化等領域，協(xié)助中國冰雪運動員提高成績。

冬奧會絕大多數(shù)項目為競速項目，競速項目成績的提高對冬奧會整體水平的提高至關重要。國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項開展了冬季項目運動減阻關鍵技術及平臺研究項目，基于體育風洞、氣動及摩擦阻力測評裝備等建設，形成國際一流競速類運動可持續(xù)發(fā)展的技術研究與支持平臺。此外，面向冬季競速項目氣動及冰雪表面摩擦減阻開展研究，在實現(xiàn)姿態(tài)優(yōu)化、裝備減阻、摩擦調(diào)控等領域獲得理論和關鍵技術突破，發(fā)展雪車、頭盔、滑板等減阻裝備和用蠟，實現(xiàn)冬奧競速項目大幅減阻，助力運動員實現(xiàn)“更快”“更高”目標。

日前，該項目負責人、清華大學機械工程系主任汪家道從科學減阻的角度，向記者介紹了冰雪競速項目的減阻科學、技巧和裝備研發(fā)情況。

問：請解釋一下，運動減阻的概念具體指什么？運動減阻減的是哪些阻力？

汪家道：運動減阻，對這次冬奧項目來說，主要是針對競速項目。競速項目靠速度取勝，在冰雪運動過程中，有速度就會與空氣產(chǎn)生相對運動，就會感覺有風，這部分風就會產(chǎn)生阻力，我們叫風阻。同時，要運動，就必須跟地面有相對運動，在冰雪項目中，地面要么是冰、要么是雪，冰雪會產(chǎn)生摩擦阻力。這兩部分阻力，構成了運動項目前進過程中的總阻力。

運動員訓練就是要克服這個阻力，提高速度。換句話說，降低阻力，就可以使運動速度提高、成績提高。

所以，運動減阻主要是通過空氣阻力和冰雪摩擦阻力的減小，提高運動員的成績。

問：針對風阻，咱們進行了哪些研究？

汪家道：運動過程中，運動員是運動的，空氣是靜止的，這時候進行阻力測量很不容易。那怎么辦？建風洞，讓運動員不動，讓空氣流動。風洞建在一個封閉的環(huán)境中，通過大風扇，風能動起來，這時身處其中的人不動，同樣可以造成運動過程中的風場。

在人不動的情況下，對他進行力和姿態(tài)的測量，從而開展很多研究。這樣，風洞就變成了減阻研究的重要平臺。在人為制造的風洞的風場環(huán)境下，對運動員進行阻力的優(yōu)化、姿態(tài)的測量等相關工作。在工業(yè)上也一樣，飛機乃至各種航天器，也都是利用風洞做類似研究的。

這次冬奧會在科技部重點專項和體育總局的支持下，項目團隊參與協(xié)助，建了兩個重要的風洞。一個在河北淶源，它是全世界首個針對跳臺滑雪項目的專業(yè)風洞;另一個在北京二七廠，它是空氣阻力研究和一些相關訓練最基礎的平臺。

問：風洞對于運動員的訓練和成績提高是不是具有很大幫助？

汪家道：對。比如滑冰和滑雪，運動員在空氣當中受到的阻力，在風洞里面可以測試，對于他們的生理生化指標，也可以監(jiān)控。

冬季項目中，北歐兩項的成績由兩部分組成，越野滑雪和跳臺滑雪。跳臺滑雪是什么？簡單說，就是運動員從一個斜坡上滑下來，獲得初速度，利用慣性在空中飛行。跳臺滑雪的成績就取決于飛行的距離。跳臺滑雪運動員最關心兩個方面，一個是怎么利用空氣產(chǎn)生升力，飛得更遠;另一個是如何減小前進過程的摩擦阻力，使空氣阻力變小。對于如何減小空氣阻力，利用風洞正好可以做這樣的研究。所以，對跳臺滑雪這種在空中飛行的項目來說，風洞是非常重要的。

運動員在前進過程中會保持比較優(yōu)勢的姿態(tài)，這個姿態(tài)產(chǎn)生的空氣阻力比較小。而通過風洞減阻測試，我們會提出優(yōu)化方案，運動員結(jié)合自己的能力，可以優(yōu)化自己的姿態(tài)。通過強化訓練，他們可以明顯提高前進速度。

同時，還能實現(xiàn)編隊減阻。以短道速滑為例，它是一群人在一起比賽，在這個過程中，運動員不能簡單考慮超、跟，因為所處位置不同阻力不同，還需考慮阻力問題。比如前面兩個運動員并排的時候，后面的運動員阻力會小很多，接近30%。讓運動員了解不同位置編隊阻力的大小，通過編隊優(yōu)化，知道什么時候該卡位、什么時候該超速，對提高技戰(zhàn)術和臨場發(fā)揮大有裨益。

所以，對于運動員訓練來說，通過風洞減阻，我們可以提供最直接的幫助。

除了運動員姿態(tài)、編隊等減阻之外，在裝備方面，我們利用風洞，對運動員的頭盔、服裝等減阻也做了相應研究，目前來看效果非常好。比如頭盔，在氣動外形之外，我們還設計了一些微結(jié)構，這些微結(jié)構對減阻十分重要。服裝方面，科技冬奧專項的負責人是北京服裝學院的劉莉教授，她在氣動減阻部分的設計和相關理論，由我們團隊承擔。通過表面微結(jié)構的設計等，使比賽服裝的阻力大幅下降。

汪家道教授與學生進行學術討論

冬奧會和其他大型體育賽事一樣，比拼的不僅是運動員的技戰(zhàn)能力，更是各個國家的科技水平。比如風洞，它體現(xiàn)的是一個國家的實力。再比如裝備，由于科技水平的提高，運動員可以用上更好的裝備，在賽場上就能占據(jù)一定的優(yōu)勢。這也是“科技冬奧”的魅力所在。

問：風洞是解決氣阻的一項重大研究，對于解決摩擦阻力，我們進行了哪些研究？

汪家道：冬季項目有兩大類，一類是冰上運動，一類是雪上運動。由于介質(zhì)不一樣，來自地面的摩擦阻力不一樣，減阻的方式也不一樣。

冰上運動一般都借助冰鞋，冰鞋下面有一個冰刀，真正跟冰面接觸的就是冰刀。我們主要通過冰刀摩擦阻力的減小，為冰上運動“賦能”。由于冰上運動需要前進，所以在減小冰刀摩擦阻力的同時，還得提高它前進的動力——這兩點，是冰刀需要解決的關鍵問題。

雪上運動則主要通過雪板。我們需要研究雪板和雪之間摩擦力的大小，提出減小雪板在雪面上摩擦阻力的方案。目前，國際上通用的是打蠟技術，但我們希望這次能提供新的技術。

問：在新裝備研發(fā)上，能否具體介紹一下，冰刀和雪板是怎樣減少阻力的？

汪家道：冰刀方面，我們提出了一個全新想法并付諸實踐，取得良好效果。冰刀跟冰面接觸，摩擦阻力取決于冰刀的形狀和材料。冰刀厚度一般也就一兩毫米，形狀上沒有太大的改進余地。所以它最重要的變化體現(xiàn)在材料上，包括硬度、耐磨性、摩擦力等。

我們提出，讓冰刀兩邊增強。冰上運動對冰刀的要求有兩個，一個是滑行前進方向摩擦阻力要小，另一個是蹬踏時前進的動力要大，這樣才能滑得遠?？墒牵@兩點在很多情況下是矛盾的，怎么辦？

為了兼顧兩方面，我們把冰刀做成類似三明治的結(jié)構，讓冰刀兩個側(cè)面硬度高，中間硬度稍低。這樣，冰刀在側(cè)滑過程中，冰刃比較鋒利，比較耐磨，從而提高了側(cè)向蹬踏力，減小了摩擦阻力。經(jīng)測算，蹬踏力可提高20%—30%，摩擦阻力可減小10%左右。

雪板方面，我們也做了有益的嘗試。目前雪板減阻普遍的辦法是在雪上打蠟，就是把蠟浸到雪板底膜上去滑行，減小摩擦力。非打蠟不可嗎？能不能不打蠟？我們提出了自潤滑方案。把雪蠟材料和底膜材料混合在一起，使底膜材料具有自潤滑的特性，這樣一來，滑動過程不需要打蠟，就可以實現(xiàn)減速了。

特別是對于長距離的越野滑雪，這種方式非常有用。以往，30公里、50公里的越野滑雪，一般最少需要換1至2次雪板，因為蠟被磨沒了。如果采用自潤滑方式，就不存在這個問題。目前，該方案還沒有最終定型，正在努力研發(fā)中，希望今年冬奧會能用上。

問：剛剛您提到的這些裝備是為專業(yè)運動員設計的，但是下一步會不會普及到市場上去，讓普通老百姓也能夠體驗到這些高級裝備，從而帶動三億人參與冰雪運動？

汪家道：也許每個人都希望，能像鳥一樣在空中飛行。事實上，風洞完全可以向公眾開放，讓大家體驗在空中飛行的感覺。

我們希望，對體育的研究最終能為大眾健康造福。通過對體育相關技術的研發(fā)，為大眾健康和大眾參與運動提供一些可能。比如我們研發(fā)的冰刀，可以應用到大眾體育中去，如果被廣泛應用，使用者摔跤的概率會降低，因為它穩(wěn)定性更好。

問：這次形成的技術成果，目前已應用于冰雪運動當中。但是包括服裝、頭盔等，這些成果是不是也可以應用到夏季運動中？或者，它還有哪些進一步的應用空間？

汪家道：做“科技冬奧”專項之前，我們團隊已經(jīng)參與了自行車空氣減阻的研究和賽艇水面減阻的研究。實際上，我們?yōu)椤翱萍级瑠W”專項研發(fā)的相關技術和平臺，完全可以應用到夏季項目中。從技術角度來講，只要在空氣里運動，受到空氣阻力，我們就可以把現(xiàn)在的空氣減阻技術，移植到夏季項目中去。跑步也是同樣的道理。其實，我們已經(jīng)開始在做了。

科技的提高，不僅僅針對冬奧，它對整個體育和其他領域的推廣都是利好。我相信，科技的提高，一定會給大眾健康和更多人參與體育提供可能。