运动在“空气海洋”底部

科技之光

人类百米成绩第一次突破10秒大关是在1968年墨西哥奥运会上，美国运动员吉姆·海因斯以9秒95的成绩刷新了世界纪录（图１）。但不少人对这次海拔2300米处的“高原盛会”持保留态度，认为墨西哥城稀薄的空气减少了对速度型运动的阻力。当时的国际奥委会主席布伦·戴奇说了一句很经典的话:（图２）“奥运会属于全世界人民，而不仅仅属于海平面地区。”

（１）1968年墨西哥奥运会上吉姆·海因斯刷新了世界纪录

（２）有着丰富体育竞技经验的国际奥委会主席布伦·戴奇

?不过，墨西哥赛场跑道上的空气密度确实比海平面地区要小将近30%。人们往往认为空气阻力可以忽略不计，因为它们看上去完全“空空如也”。其实只要在奔驰的汽车上将手伸出窗外，就能立刻领略到空气的存在。摄氏零度的海平面上，每立方米空气重1,293克，随着海拔升高，空气柱的密度不断递减。我们的一切运动实际都是在 “空气海洋”的底部进行。

?如同跳到水中会被“打湿”一样，我们在“空气海洋”中也会被“打湿”，浑身上下的表面附着一层薄薄的空气。当奔跑的运动员把空气从前面的位置推开，身体周围的环流就会在身后形成低压的涡流区，这种“压差阻力”和奔跑速度的平方成正比。此外需要克服的，便是空气和运动员身体表面产生的摩擦力了（图３）。

（３）空气与运动员体表产生摩擦力示意图

1896年第一届雅典奥运会上，各国选手穿着五花八门的日常服装，跑起来不仅碍手碍脚而且兜风灌气，大大增加了空气阻力。1904年圣路易奥运会的马拉松比赛出发前，人们才七手八脚将古巴运动员费力克斯·卡哈尔的袖子和裤腿剪掉（图４）。早期奥运会“成绩羞涩”，很大程度归咎于选手们的“一身行头”（图５）。

（４）1904年圣路易奥运会的马拉松比赛出发前古巴运动员费力克斯·卡哈尔才意识到自己的长衣长裤将不利于比赛成绩

（５）早期运动会参与者着装很随意

此后奥运会田径场上，宽袍大袖迎风飘扬的装束很难看到了。运动服日益紧凑贴身，背心短裤连成一体，这种对选手的“包装”能“削平”躯体表面的“凸凹”，“抹圆”四肢连接处的“棱角”，对人体进行局部的“流线处理”。加上不用一针一线的热接合技术，使衣服成为“天衣无缝”的整体，甚至消除了最微小的褶皱，使空气的阻力大为减少。2000年悉尼奥运会的跑道上，澳大利亚土著女选手弗里曼身穿的“奇装异服”成为全世界目光的焦点，这种用五种不同纹理走向的纤维材料制成的“快衣”把弗里曼“从头到脚全包了”，她在“第二层皮肤”中体验到一种“切入空气”的感觉，一溜烟夺取了400米比赛金牌。

运动服面料和质地同样在悄然变化。从棉、麻、丝到合成纤维，都曾成为不同运动服的上选。柔韧而富有弹性的“莱卡”则不仅具有良好的空气动力学性能，还能对肢体起到支护作用而防止肌肉颤动。最新的运动服在特殊区域还刻意处理成细密的纹理和凹陷，如同高尔夫球上的“麻子脸”那样能在运动中延迟空气边界层分离点而减少阻力。至于自行车服、溜冰服、滑雪服选用的各种镀铝、镀钛材料，通体闪耀着金属的光泽，简直如高级轿车的表面一般。厂商和研究人员在金钱上成千上万的投入，往往只是为了时间上百分之一秒的产出。

自行车运动的头盔不仅为了防止跌伤，更为了降低骑行中的空气阻力。也不仅为了避免长发飘飘，而是以头盔的水滴状外形取代运动员头部的自然外形，让高速前进中的涡流效应最小化（图６）。试验显示，戴上头盔的风阻明显小于“剃光头”的风阻。

（６）新式头盔有着它特殊的造型与作用

令人泄气的是，人类在空气中运动的体型不仅不能和鸟类相比，甚至不能和直立行走之前相比。因为空气阻力和迎风面的截面积成正比。不过在有些运动中，我们却可以把体位大致恢复到四肢行走时的状况。自行车、溜冰、滑雪等项目中运动员躬下身体成90度，背部保持和地面平行，便已经大致找回了人类直立行走前奔跑时对风的感觉。

风洞的问世已经有一百三十多年了。莱特兄弟1903年发明第一架飞机便有风洞的功劳。根据运动的相对性和相似性原理，物体在静止的空气中运动所受到的各种空气动力作用，与物体不动而空气以同样的速度反向吹来效果相同。于是人们便在一个固定管道内制造出可控制的气流，模拟物体在空气中运动时周围的流场，通过传感器测出它在风中所受的阻力、升力、压力等参数。现代体育运动广泛使用了风洞这种航空试验设施。从科研机构到大牌厂家，都通过各种风洞试验来改进人体姿势和器材形态，寻找运动服、运动鞋生产的最佳工艺与材质（图７）。

（７）运动员在风洞试验中

1960年被斯阔谷冬奥会列入正式比赛项目的冰道雪橇大约是人类在空气中最快的运动了，选手们仰面朝天、两脚朝前躺在金属和玻璃钢制成的雪橇上，沿着长约1.5公里，落差120米的冰道高速滑下。国际大赛中获得过25块金牌的美国选手托尼.班休夫创造出了每小时140公里的吉尼斯纪录，这是一个在高速公路驾车也要吃罚单的速度。急骤的弯道上，巨大的离心力能让运动员承受7个重力加速度的压力。平躺的流线型姿势，按照空气动力学原理设计的冰橇、服装、手套、头盔、面罩、靴子等，共同成就了这一极限速度。

而奥林匹克各项运动中最接近于飞翔的比赛要数跳台滑雪。这是从1924年法国夏蒙尼首届冬奥会延续至今的招牌项目。选手们脚踏滑雪板，沿着长100米、倾斜角近40度的助跳滑道获得每小时100公里的高速，然后利用惯性力和弹跳力纵身一跃，从90米和120米级跳台的“悬崖”飞向空中，再沿抛物线“空降”到下面随势延伸的雪坡。2002年盐湖城冬奥会上，瑞士跳雪选手西蒙.阿曼空中“飞”了130米远，2005年斯洛文尼亚举行的世界杯比赛中，挪威选手罗摩艾伦创造了飞行跳雪239米的世界最高纪录。比当年莱特兄弟的飞机第一次飞行距离长5倍。

这是最优美而华丽的空中姿态，早期的跳雪动作让身体和滑雪板尽量平行，双臂伸向前方，后来改进为双臂向后靠紧臀部，使空气阻力进一步减少。此时跳雪运动员的身体已经成了一个“飞行器”，从侧面看去，酷似一架飞机机翼的剖面图。气流在平直的滑雪板下流速较低，在头肩隆起的人体背部流速较高，从而形成向上的升力，为跳得更远赢得了呆在空中的更多时间。1985年，瑞典选手简.波卡罗夫首创了将两只平行的滑雪板变为V字形，也就是一个“外八字”。使飞行距离提高了10%并成为跳雪的标准动作。虽然两只滑雪板成V字的空气阻力大于平行的滑雪板，但它们因为错开了身体的投影位置而增加了升力。因此，恰如其分的“升阻比”是流体力学常常需要面临和回答的问题（图８）。

（８）I字形与V字形“升阻比”对比

对于看不见、摸不着、无色无臭的空气，运动员最知道它的分量。奥运百年间，我们的无限心血和亿万财富都是为了对付“空气”而花费的。要想提高运动成绩，那就必须了解空气，并不断学会同空气打交道。