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速度与激情——冬奥雪车雪橇运动背后的科学

?2月11日,我国运动员闫文港获得北京冬奥男子钢架雪车项目铜牌,这是中国运动员首次在该项目上登上领奖台。他的同伴殷正则创下赛道出发纪录,均创造了历史。钢架雪车、雪车、雪橇,都是在一条赛道上的竞速项目,相信很多人不仅分不清楚它们的区别,更看不出里面的门道,这篇文章就来简要介绍一下这些“雪橇”项目以及它们背后蕴含的科学

撰文 | 下雪

2022年北京冬奥会接近尾声,作为一名普通的中国观众,必然最为关注我们的夺金项目,比如短道速滑、自由式滑雪等,其他项目则总是抱着看看热闹的心态。而在所有冬奥项目中,或许最令我们“不明觉厉”的项目是雪车、钢架雪车以及雪橇这三个竞速项目――或躺或趴或坐,转了几圈就结束了比赛,胜负只差毫厘,着实让人摸不着头脑。

不过,这也是这几项运动的最大特点。雪车,号称冰上F1;钢架雪车,被誉为冰上俯冲机;迅如疾风,势如闪电,其实它们是真正的硬核竞技运动,处处体现着体育与科技的魅力。

闫文港在比赛中丨图片来源:IC photo

雪橇、雪车和钢架雪车的区别与场地

雪橇、雪车和钢架雪车,造型虽然各不相同,但从器材上看,其实它们都是雪橇(sled,sleigh)。作为一名普通观众,区分这三项运动并不困难,最简单的方式是看运动员的身体形态。

雪橇(Luge),也称无舵雪橇,运动员以脚在前,平躺在雪橇上的方式比赛。比赛开始时,运动员坐在雪橇上,双臂用力向后推冰面以获得初速度。雪橇是人类古老的运输和出行方式,据记载15世纪就有了雪橇比赛。Luge本是法语中小型雪橇的意思。现代的无舵雪橇在1964年因斯布鲁克冬奥会上成为正式项目。

2022北京冬奥雪橇男子双人自由性别比赛丨图片来源:Daniel Mihailescu/AFP

雪车(Bobsleigh),顾名思义,运动员坐在车内“开”车比赛。雪车是历史最悠久的冬奥项目,自首届1924年霞慕尼冬奥会存在至今(只有1960年司阔谷冬奥会缺席)。在1877年,瑞士人发明了可以摆动(bob)转向的雪橇,后逐渐发展出比赛,所以它也被称为有舵雪橇。该项目通常是团队比拼――两人或四人项目,坐在第一位的舵手可拉动转向装置控制方向;后座最后一人是刹车手,可控制车内推杆刹车(比赛中几乎不使用)。今年北京冬奥首次加入了女子单人雪车项目(Monobob)。比赛开始时,运动员需要跑步推动雪车上可回缩的推杆(刹车手推车尾部的扶手)推车加速,大约直线跑50米后依次迅速钻入车内开始滑行。

四人雪车项目,起跑后从最前舵手到最后刹车手依次跳入车内丨图片来源:IBSF

雪车组成部分丨图片来源:adventure.howstuffworks.com

钢架雪车(Skeleton)是单人项目,运动员推着雪橇起跑,然后头朝前趴在雪橇上进行比赛,雪橇上装有缓冲器。钢架雪车运动同样起源于19世纪,1892年由纯钢制成的雪橇,即钢架雪车诞生了。至于为什么叫“Skeleton”,有人推测是因为最原始的“木质雪橇”比较像骨头,也有人认为是挪威语雪橇“Kjaelke”误译成了“Skele”。无论起源是什么,钢架雪车一直是很受欢迎的冬季运动――它曾因太过危险而被移除奥运项目,又于2002年回归[1]。

钢架雪车项目丨图片来源:Insider

将雪橇、雪车和钢架雪车(以下简称雪车雪橇运动)三项比赛放在一起介绍,一个最大原因是它们共用一条赛道,雪车和钢架雪车同一起点,雪橇则另有起点。

北京冬奥雪车雪橇比赛在位于北京延庆的国家雪车雪橇中心举行,赛道全长1975米(比赛长度1615米),有16个角度、坡度不同的弯道(最大坡度18%,平均坡度6%,且有世界第一个360度弯道),垂直落差121米[2]。为满足高速滑行的要求,雪车雪橇赛道设计成复杂的空间三维曲面[3]。国家雪车雪橇中心是国内第一条、世界第十七条由国际雪车联合会(IBSF)认证的赛道;形如游龙盘踞峻岭间,因此得名“雪游龙”。

国家雪车雪橇中心及其赛道路线图丨图片来源:IBSF

快!取决于物理

雪车雪橇项目是冬奥赛场上最快的项目之三(高山速降滑雪也很快),四人雪车比赛最高时速可达150Km/h[4],无舵雪橇也能达到140Km/h。如此高速的来源其实非常容易理解――重力,运动员仅凭人和雪橇的重力从高处向低处运动。此过程中重力势能转化为动能,两者都与质量成正比,因此质量越大,在其他条件都相同时,四人雪车将是最快的。

国际雪车联合会(IBSF)出台的雪车项目规则中严格限制了车重,车身重量不足的情况可能需要在车内加入配重――如何在雪车内分配重量将对速度起关键作用。赛前和赛后,比赛队员和雪车都会进行称重[5, 6]。

雪车和钢架雪车重量限制

在曲折蜿蜒、冰雪覆盖的赛道背后,是各种物理规律交相辉映的舞台――完美的赛道环境,冰面摩擦力、空气阻力是影响速度的关键因素;同时需要雪车雪橇本身性能出众,运动员身着装备得当。运动员在舞台上的演出,才是能否成为冠军的决定性因素,他将是完美应对所有的微妙物理学现象的第一人。

必须要说明的是,雪车雪橇项目是危险的运动。急速过弯时,运动员将受到高达5~6g的加速度数秒。同样的加速度我们也在过山车中能体验到(参见《冒险者的游戏:过山车的历史、物理与心理学》 ),但我们全程是安全固定在车座上,而比赛选手只能依靠自身的肌肉控制。2010年温哥华冬奥会上,一名格鲁吉亚的运动员在训练时就因滑出赛道不幸身亡。另一方面,头部撞击的后果也不可预估,运动员还要承受比赛过程中雪橇产生的巨大噪声,有研究认为可能长时间这样的状态会造成精神疾病[7]。(关于运动导致脑震荡,可参见《女足夺冠!头球作用关键,但顶多了会有“职业病”,严重者会患老年痴呆》)

善用空气动力学

冬奥会的雪车雪橇项目大多数赛道长约1.6千米,选手能在1分钟内飙完全程。比赛则进行四轮,最终成绩为四轮时间之和。即使如此,冠亚军差距也仅在百分之几秒,甚至千分之几秒的时间。空气动力学在此就起到了重要作用。早期的风洞实验和计算流体力学(CFD)的研究显示,空气阻力占据总阻力的20%~26%[8];减少3%的阻力,最终成绩将提高十分之一秒[9]。

就雪车运动来说,其主要的阻力来源于压差阻力[10]。在车体的尺寸方面,一般资料可能会给出大概的限制,比如四人雪车不超过3.8米。(在无舵雪橇和钢架雪车比赛中,“雪橇”同样受到严格限制。)事实上,国际雪车联合会对现代雪车的设计有非常严格的规定,在出台的规则中直接给出了设计图纸。这样做的原因是既要保证运动员安全,同时起到公平竞争的作用。当然,这里也有一些灵活度,因此雪车设计的技术含量就凸显出来――现代雪车被设计成更符合空气动力学的流线型。车体外壳(整流罩)的整体和地盘的几何形状(特别是车头和尾翼),以及前后拼接缝,制动器的位置等都将对速度产生影响。

雪车的制造还要考虑其材质。虽然雪车总体重量很大,但运动转向时需要非常易于操控,同时保证运动员的安全,车身需要很轻且抗冲击,底盘则具有极高的强度。厂商会选择碳纤维复合材料――一台世界级的雪车造价在25000-70000英镑,而下面的滑行装置(橇刃)也达到4000-10000英镑[11]。运动员都头戴面罩式的头盔,而非头盔加护目镜的组合,也是为了减小空气阻力。

雪车上领先设计者仅属于少数几个生产商。首量国产雪车是由中国航天科技集团联合中国一汽制造丨图片来源:CGTN

实际上,除了花样滑冰、冰壶等冬季运动外,空气阻力对大多数冬季运动中都影响极大。有些项目,例如跳台滑雪比赛,官方组织甚至会限制使用减少空气阻力的创新技术,就像游泳比赛中已禁止穿着鲨鱼皮泳衣。从面料到印花、透气与弹性,科学家对冬季运动服装各方面都进行过深入探索[8]。不过雪车雪橇项目并未对着装有严格要求――毕竟身体控制稍差一点,其影响比空气动力学的影响大得多。他们一般身着紧身运动服和手套,雪橇项目手套上带有钉子帮助起跑,雪车运动员则穿钉鞋。

雪橇比赛运动员的手套丨图片来源:Sportsmatik

克服摩擦,调整最优路线

如果要问,冰为什么滑?这是一个物理学家花了上百年时间仍未找到确切答案的问题。早期研究认为,冰表面形成了一层水膜起到润滑作用,这一现象最初是由法拉第发现的。1987年科学家通过X射线衍射证实了冰表面确实有一层准液态层(quasi-liquid layers,QLL),厚度仅为几十纳米[12],后来则发现这是一种亚稳瞬态,在冰升华和水蒸气增长时存在[13]。不过,理论上还没能找出实验观察到温度在冰熔点附近时摩擦力会比低温时大的原因[14]。以上文字只是想说明,关于水(冰、雪)实在有太多的学问;仅提冬季运动,不同相对速度下滑动摩擦系数就很难确定;空气湿度对冰面摩擦系数也有很大影响。这也是雪车雪橇运动的最大阻力来源――橇刃与冰面的摩擦[8];但毕竟比赛场地环境不是选手能决定的,要克服摩擦力,还需要他们自身的水平。

在理论上,研究人员对雪车雪橇运动建模,从最简单的规定轨道一维质点模型到把运动员和雪橇视为刚体的复杂模型[15],理论结果和实际比赛都告诉我们滑行轨迹将是决胜的关键因素。简单来说就是运动员要善于规划路线,缩短总路程。观看比赛很容易发现,如果运动员转弯后磕碰到赛道边缘,或是路线没有那么完美,最终成绩就将大大折扣。

无舵雪橇比赛需要完全“躺平”、钢架雪车则要“趴平”,细微之处是他们躯体、双腿位置和头俯仰角度。钢架雪车比赛中,如果选手抬头观察赛道,身体重心可能发生改变,则可能会导致偏离轨道。雪车项目中,运动员在车内的坐姿则会对运动轨迹有较大影响(也影响空气动力学)。

理想状态下过弯直道和弯道的基本受力分析,实际情况非常复杂,但目前转弯模拟和实验吻合程度很高丨图片来源:[16]

由于雪车和钢架雪车前面有一段助跑,并且这部分对总成绩有影响,许多该项目的运动员都是从田径项目转型的。在这样紧张刺激的比赛中,对吃瓜群众来说最为欢乐的时刻可能是车出去了,人没上去(如果是多人比赛,队友或许能把他拽进去)。

钢架雪车推车启动阶段影响因素丨图片来源:[16]

因此,运动员身体感觉和控制才是真正决定胜负的因素。比赛瞬息万变,作为观众很难看清那些惊险刺激的环节如何被优秀运动员巧妙应对――全程架设数十个摄像机,我们也只能看个大概。这也是为什么看比赛时,感觉他们都是同样的姿势,可有些运动员就是快的原因。

雪车雪橇难度大,还是玩玩爬犁吧。

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