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体育比赛背后的风洞研究 奥运夺金 迎“风”而行

  一段时间以来,东京奥运毫无疑问成为了网络热点,为国争光的奥运健儿在奥运会上书写的历史,也成为了人们谈论最多的话题之一。众所周知,随着体育事业的不断发展,运动员们提高成绩越来越离不开科技的助力。训练场所的设计、运动员服饰的材料、现代化的数据分析系统……科技手段正在为运动员“更高更快更强”的目标贡献力量。

  而在这其中,很少有人知道,如今我国已有专门的团队利用风洞技术来研究风对运动员比赛成绩的影响,围绕“风”开展科技助力。

  不久前,在北京2022年冬奥会“冲刺”攻坚阶段的关键时刻,国家体育总局举行冰雪项目2020-2021赛季表彰大会暨中国冰雪科学顾问等证书颁发仪式,北京交通大学被授予“中国冰雪科技联合攻关单位”,北京交通大学土建学院李波教授被授予“中国冰雪科学家”荣誉称号。

  据悉,李波率领团队研发了我国第一套冰雪项目风洞辅助训练系统,协助建设了我国第一座体育专业风洞,开展了10余支国家集训队的风洞测试,这其中就包括中国游泳队张雨菲、杨浚瑄等著名运动员。对此,中青报·中青网记者采访了李波教授,试图揭开运动员们赛场夺金背后,有关“风”的故事。

  以竞速类冰雪运动项目为例,竞赛成绩与运动员姿态、装备及服装的气动性能密切相关。利用风洞进行针对性训练,已经被英国、瑞典、德国、美国、加拿大等欧美冰雪运动强国广泛采用,成为提高运动员竞技成绩的重要科技手段之一。

  我国是一个体育大国,但在借助风洞进行冰雪项目辅助训练方面还处于空白,北京交通大学风洞实验室率先在此领域开展了探索。据了解,北京交通大学是我国第一个将风洞技术与竞技体育紧密结合的专业研究机构,如今,在北京2022年冬奥会备战中,北京交通大学将和国家体育总局冬季运动管理中心联合,承担冬季项目风洞技术研究与应用的科技攻关任务。

  “现代竞技体育实际上是一个非常复杂的‘人-机-环’系统工程,跟运动员的训练、装备、赛时环境都密切相关。而在这其中,都离不开风洞技术的身影。”李波说。

  根据相对运动原理,可以用风洞里的风速来模拟运动速度,风洞为运动员开展专项训练提供了一个很好的模拟环境。并且,为了减小风的不利影响,合理利用风,还需要利用风洞对运动员的姿态、队列进行优化、研发低风阻高性能运动装备、服装、器材,评估比赛场地赛时风环境。

  2018年,李波跟随国家体育总局局长苟仲文一行赴英国考察,英国空气动力学专家、功勋教练、传奇运动员介绍了风洞技术对自行车运动成绩提升的重要性,使他们在2008年奥运会上一鸣惊人,一举拿到8枚金牌。作为一个一直从事建筑物抗风设计,从来没有涉足过体育行业的大学老师来说,这趟旅程改变了他之后的研究方向。

  李波介绍,在一些发达国家,风洞辅助训练已经不是什么新鲜事。“例如,在温哥华奥运会时,加拿大就有了‘站上领奖台’计划,这个计划的核心就是利用风洞对10多个冬奥项目进行系统化的风洞测试。当时的成果显而易见,加拿大在那届冬奥运会上拿到了14枚金牌。日本速度滑冰团队追逐女队也是通过风洞测试,专门对运动员的队列进行优化,她们在平昌冬奥会上取得金牌,并打破世界纪录。”

  于是,在调研国外先进技术的基础上,李波和团队开始积极研发具有我国自主知识产权的风洞实验辅助训练系统。

  “这不仅需要一个风洞的平台,还需要这个平台里有各种测量设备和仪器。因此,我们首先要进行核心硬件的研发,将运动员所承受的风阻力精确测量出来。”李波说。

  然而,对于运动员风阻力测量和团队以前测量的建筑风荷载不同。“运动员加上装备在竖向有一个很大的重量,而风阻力是水平向,并且对精度的要求特别高,比如,有些装备减阻率可能只有1%,如果精度不高,系统误差就将这个差别给掩盖住了。并且,运动员加上装备,底面积很大,传统测量仪器是单点支撑,在调整过程中附加荷载很容易超量程,测试效率就会低。

  因此,团队专门设计了多模块天平,通过减小量程来提高识别精度,将单点支撑改为四点支撑,该项技术已经在国家体育总局二七厂科训基地体育综合风洞得到了推广应用。

  在核心仪器研发的同时,在国家体育总局冬季运动管理中心、北京交通大学土建学院的支持下,李波教授团队通过改造和系统集成,在北京交通大学风洞实验室BJ-1号风洞建立了我国第一个冰雪项目风洞辅助训练系统,该系统能够将风速、风阻力、姿态、重心位置、测试指令通过投影仪实时反馈给测试运动员,通过定量化的数据,进行运动姿态、队列优化。为了协助高性能运动装备研发,该系统还专门开发了运动装备风阻性能评测模块。

  据了解,该系统已经开展了国家自行车集训队(包括取得东京奥运会金牌的钟天使、鲍珊菊)、国家钢架雪车集训队的风洞测试,并协助开展了高性能服装、头盔等装备的研发工作。

  不久前,中国游泳队开展的风洞测试已经引起轰动。李波介绍,游泳项目的风洞测试先后组织过两批,第一批为训练营青年运动员,第二批为国家游泳集训队张雨菲、杨浚瑄、徐嘉余、闫子贝、余依婷、刘湘等人。测试从策划到实施历经3个月,测试方案经过多轮优化,测试装置设计了两套。

  2020年10月25日,国内首座体育综合风洞在二七厂科训基地正式启用。李波和团队全程参与了包括这座风洞在内的国家体育总局体育风洞集群的规划和建设。据介绍,目前国家体育总局已经建设的风洞集群包括:二七厂科训体育综合风洞、涞源跳台滑雪专业风洞、小型便捷式风洞、垂直风洞等。

  目前,李波教授团队正在承担中车二七国家冰雪运动科训基地体育综合风洞的风洞测试任务,并针对冰雪项目特点,设计了冰上项目、雪上项目、车撬项目风洞测试全套辅助装置。

  风在体育运动中无处不在,除了运动员训练需要依靠风洞模拟环境以外,体育比赛的场馆设计、赛道设计等也都需要考虑风带来的影响。

  “北京2022年冬奥会延庆赛区位于小海坨山,包括国家高山滑雪中心、国家雪车雪橇中心等。该赛区地形复杂、大风凛冽,抗风是该赛区基础设施、赛时临时设施建设的关键。”李波说。

  为了研究延庆赛区基础设施、赛时临时设施建设的抗风能力,李波带领北京交通大学风洞实验室研究团队的成员们,采用实测与地形试验相结合的方法,对延庆赛区复杂山区风场特性进行了研究,确定了重要建筑结构抗风设计所需的风场参数,结合延庆赛区基础设施的形体及结构特征,提出了选取节段模型进行风洞试验等方法,助力延庆赛区基础设施、赛时临时设施建设。

  “实际上,我原来的专业是建筑工程系,我们本来都是学建筑结构的,例如桥梁、大楼的抗风性能等等。2008年奥运会的时候,我参与了鸟巢和国家网球馆的抗风性能研究,但这些工作主要还是结构抗风的领域,没想到现在从事冰雪运动项目研究了。”李波说。

  李波的团队已经有20多人,团队成员多为学校的研究生。“这些年轻人很拼,也很能干,在北京冬奥会越来越近的日子里,他们经常连夜安装、调试测试装置,做完风洞测试后,晚上熬夜出测试报告。”

  如今,距离北京冬奥会开幕只有半年的时间,我国的奥运健儿们正处在紧张的训练中。李波表示,“团队已经完成了冬奥会项目10余支国家集训队的风洞测试,希望可以为奥运健儿为国争光助一臂之力。”乐鱼体育平台进入

          

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