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哪些高科技助力北京冬奥会

发布日期:2022-02-07 来源:环球时报
2022-02-07 来源:环球时报

现代体育竞技早已经离不开高科技的助力,在本届北京冬奥会中更是如此。从日常训练到比赛装备,甚至细到运动员的手套乃至冰刀弯曲角度,都闪耀着时代最前沿的科技力量。

中国冬奥金牌背后的航天科技

2月5日晚,由范可新、曲春雨、张雨婷、武大靖、任子威组成的中国短道速滑混合团体以2分37秒348的成绩率先冲过终点,为中国队摘得北京冬奥会上的首枚金牌。在追求人类速度极致的短道速滑赛道上,胜负就在毫秒之间。这不但需要运动员的状态、意志和彼此之间的默契,还有对于细节的把握——在高速的短道速滑运动中,运动员的动作以及姿态的些许变化,就能影响速度的快慢。

据《环球时报》记者了解,在中国短道速滑这枚金牌的背后,有一个帮助运动员以完美姿态尽量消减风阻的训练“神器”——风洞。2019年国家体育总局与航天科技十一院深化合作,由航天科技十一院三所设计并建造我国首座体育风洞。该所党委书记王凯文介绍称,这座体育风洞于2020年建成,风洞的口径宽为2.5米,高为3米,测试段长度为8米,风速相当于14级的强台风。

参与风洞设计的航天科技十一院三所工程师郑刘告诉《环球时报》记者,在设计体育风洞的时候,设计人员调研大量的冬奥体育项目,在综合考虑了雪车、雪橇、滑雪板等各种冬奥项目运动装备的尺寸,以及部分奥运比赛项目运动装备的尺寸后,最终确定风洞的长宽高。而每小时151.2公里的风速,也是考虑到冬奥会中速度最快的雪车项目最高时速就在150公里左右,完全可以满足目前所有冬奥竞速类体育项目的测试训练要求。

由于体育风洞的使用对象主要是分秒必争的运动员,所以其对精确性、安全性和舒适性的要求相较于军工风洞会更高。航天科技十一院三所军民融合处研究员、体育综合训练风洞专家团队成员李玉秋介绍称,走进风洞的每名运动员都是我们的‘国宝’。为了确保他们的安全,体育风洞特意增强了安全方面的措施,比如尽量避免在风洞内部使用螺钉等易脱落的紧固件,以免飞出伤人;测试平台周边合理设置防护网,既不干扰测试又能防止运动员滑落;在陪伴测试的教练身边加设急停按钮,遇到紧急情况可以立即停车等。

此外,为方便筛选运动姿态,体育风洞还具备拍摄存储功能,能将一个时间点里的测力数据、画面数据以及运动员姿态变化后重心变化情况等数据存储下来,为教练员指导提供参考。运动员也能在眼前地板上的显示屏里,看到自己的动作测试数据。

李玉秋告诉《环球时报》记者,美国、日本、瑞典等西方国家在上世纪就已将风洞技术应用于运动员的日常训练,我国在这方面的应用起步较晚,但得益于我国航天技术的高速发展,目前我国的体育风洞技术已经完全赶超西方国家。

体育风洞的神奇之处究竟在哪里?郑刘告诉《环球时报》记者,以冬奥竞速类项目为例,风洞主要用于为减小运动员的风阻提供试验帮助。风阻越小则速度越快,运动员消耗的体能也会越小。郑刘介绍称,在风洞中开展测试时,运动员会站或者吊在结合运动项目特点而设计的六分量传感器上,当风洞制造的风以相当于运动员运动速度的风速迎面吹来时,就可以通过六分量传感器测出不同动作姿态下阻力的变化,“例如速度滑冰项目,运动员稍微弯一下腰,或者是变换一下手势,阻力的变化都可以通过脚下的六分量传感器测得,然后变化的数据会显示在电子屏上,运动员和教练员就会知道,哪个动作才能获得最小的风阻。”

“再比如跳台滑雪项目的测试,运动员会吊在一个三自由度的悬挂测力传感器上,随着脚下雪板摆放角度的变化,以及脚背绷紧角度的变化,所引起的风阻改变都可以精准测算出来。通过这套系统,就能找到风阻最小的空中姿势。在锁定风阻最小的动作和姿势后,运动员再加以长期往复训练,就能形成肌肉记忆。”

李玉秋告诉《环球时报》记者,体育风洞中的测力传感器可以测到0.1牛的变化,运动员任意一个微小的变化带来的阻力影响,都能精确地测量出来,“我们的目的就是要给运动员找到最佳的运动姿态,产生最小的阻力,以提高他的速度。”

据相关专业人员测算,如果空气阻力能减少10%,运动员的成绩便能提高1%,而在毫秒必争的奥运赛场,1%甚至1‰的差距都有可能决定比赛的胜负,在2018年平昌冬奥会的钢架雪车项目中,男子项目的第一名与第六名的成绩差距只有1.2%。体育风洞对于细节的精准把控,将让运动员决胜于细微。

国产雪车摆脱对外依赖

事实上,风洞技术还广泛参与到中国冬奥运动员的日常训练中。航天科技十一院二所七室副主任贾毅透露,国家雪车队此前在磨合训练中,使用的就是专门定制的雪车。据介绍,此前国家雪车队的比赛用车不仅依赖于进口,而且也买不到性能最好的那一款,而国外比赛用的雪车都是根据运动员的自身特点量身定造的,我们即便能买到,也不过是普通的货架款,性能要大打折扣。因此这次自行研制的国产雪车采用高抗冲碳/玻混杂复合材料,运用低风阻高可靠的外形结构一体化设计。设计人员凭借多年设计导弹、飞行器积累的经验,运用空气动力学,设计出雪车的基础外形,然后再通过仿真计算、低速风洞测试,不断优化外形和基础部件。力促国产雪车装备实现了从“无”到有,填补了国内空白。

此外还有一款由小型导弹以及无人机的发动机“改造”成的冰雪运动训练装备,已成功应用于越野滑雪运动员的日常训练。设计人员接受《环球时报》记者采访时表示,这套基于风扇排出空气产生反作用推力的空气动力学原理,而设计研发的涵道风扇喷气动力的助推器,能够根据训练的需要,为越野滑雪运动员提供辅助推力,使运动员能够在训练中突破自身体能限制,开展各类极限状态的训练活动。

据了解,这款助推器使用时,运动员仅需通过穿戴组件,就能将重约3.5公斤的助推器固定在背部,在动力装置的推动下辅助训练。助推器的推力控制装置具有手动控制功能,可人为实时地控制助推器的推力大小和启停,从而在高速状态去练习转弯、变道,跳跃等技术动作,使运动员突破体能极限并形成高速状态下的肌肉记忆。

高科技装备“从头到脚”

“你可以在几乎没有个性化设备的情况下参与夏季奥运会,然而冬奥会则是另一回事,你的成绩往往取决于你的装备。”在介绍高科技装备对于运动员在冬奥会上获得佳绩的作用时,美国《华盛顿邮报》5日的这种说法或许有些“唯装备论”,但不可否认的是,冬奥会不仅是对运动员竞技能力的挑战,也是对各国高科技能力的考验。

报道以美国顶级短道速滑名将桑托斯为例介绍说,她全身都用高科技装备武装起来:戴着的短道头盔类似流线型自行车头盔,可以尽量减少空气阻力;为防止飞溅的冰屑影响,她还戴着高性能护目镜。在短道速滑比赛中,由于选手之间经常接触,手套主体是白色,方便裁判更好地判罚。桑托斯选择用耐切割材料制成的专业手套,左手手套尖端用碳纤维制成,可协助她在转弯时控制自己与冰面的摩擦。

运动员的服装更是极有讲究。在桑托斯的运动服里面,还穿着一套紧身连衣裤,能够提供防割保护。“我们使用冰刀滑冰,有人被割伤并不少见,穿着这样的防割服,即使有人被冰刀割伤,也可以大大降低严重程度。”

《日本经济新闻》6日称,日本运动员穿着的高山滑雪服表面增加了纵向的凹槽,相关负责人宫下征树表示,“开发灵感来源于海豚的皮肤”。他介绍说,高速滑行的高山滑雪项目容易受到空气阻力的影响,而海豚游泳时,皮肤会发生凹凸不平的变化,以此减少水的阻力。应用于日本代表队的这种高山滑雪服采用了能随着肌肉运动出现凹凸起伏的材料。日本女子速滑运动员身穿的滑冰服则使用了为针织布料贴上聚氨酯薄膜的不易延展的材料,这样穿着时容易保持前倾姿势,从而减少空气阻力。据称与上届平昌奥运会的类似产品相比,它可使空气阻力减少约3%。

刚夺得金牌的中国短道速滑混合团体同样是用高科技武装起来的。例如他们身穿的短道速滑比赛服由安踏自主设计,具备世界最轻、最透气水平。这种运动服采用最新360度全身防切割技术,突破传统局部防护,安全性大为提高,同时还具有高强度、轻质化的特点,强度是钢丝的15倍。整套服装采用先进的空气湍流控制减阻和边界滑移减阻技术,在服装表面使用异形结构,将空气迅速导流。相比普通滑冰服,减阻力提升5%-10%。从原来的双层结构改善为单层全身防切割,可以减少运动员负重。因此,这套跟空气阻力战斗、可以帮队员们在风驰电掣的比赛中减少空气阻力的装备堪称“冰上鲨鱼皮”。

冬奥会特有的冰刀、滑雪板等装备,更是充满神秘色彩。据称,桑托斯的冰刀靴由碳纤维、超细纤维等特种材料手工制成,它略微向左弯曲——因为滑冰者只向左转。每个运动员的刀片弯曲程度都是针对个人定制,具体数据严密保密。而花样滑冰使用的刀片已经从钢材料改为碳纤维,从而可以更容易快速转向。类似情况也出现在越野滑雪等项目中。报道称,滑雪板底部需要涂蜡以提升滑行速度,但具体如何涂蜡,需要根据当天天气条件,由专业人员制定方案才能保证最佳的比赛效果。