“风洞”减阻助力更快更高

访谈人物

汪家道，清华大学机械工程系主任，教授，国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项——冬季项目运动减阻关键技术及平台研究项目负责人。

长期从事运动员姿态减阻、装备减阻研究，提出基于粘性底层内表面横向微凹槽构建微旋涡的气动微旋涡减阻技术、基于超疏水效应和水下三相结构诱导水蒸发的水下微空泡减阻技术，发展了基于柔性压印的表面微结构加工方法。在风洞训练、姿态优化、冰雪表面的摩擦减阻优化等领域，协助中国冰雪运动员提高成绩。

冬奥会绝大多数项目为竞速项目，竞速项目成绩的提高对冬奥会整体水平的提高至关重要。国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项开展了冬季项目运动减阻关键技术及平台研究项目，基于体育风洞、气动及摩擦阻力测评装备等建设，形成国际一流竞速类运动可持续发展的技术研究与支持平台。此外，面向冬季竞速项目气动及冰雪表面摩擦减阻开展研究，在实现姿态优化、装备减阻、摩擦调控等领域获得理论和关键技术突破，发展雪车、头盔、滑板等减阻装备和用蜡，实现冬奥竞速项目大幅减阻，助力运动员实现“更快”“更高”目标。

日前，该项目负责人、清华大学机械工程系主任汪家道从科学减阻的角度，向记者介绍了冰雪竞速项目的减阻科学、技巧和装备研发情况。

风洞为运动员提高成绩“赋能”

问：请解释一下，运动减阻的概念具体指什么？运动减阻减的是哪些阻力？

汪家道：运动减阻，对这次冬奥项目来说，主要是针对竞速项目。竞速项目靠速度取胜，在冰雪运动过程中，有速度就会与空气产生相对运动，就会感觉有风，这部分风就会产生阻力，我们叫风阻。同时，要运动，就必须跟地面有相对运动，在冰雪项目中，地面要么是冰、要么是雪，冰雪会产生摩擦阻力。这两部分阻力，构成了运动项目前进过程中的总阻力。

运动员训练就是要克服这个阻力，提高速度。换句话说，降低阻力，就可以使运动速度提高、成绩提高。

所以，运动减阻主要是通过空气阻力和冰雪摩擦阻力的减小，提高运动员的成绩。

问：针对风阻，咱们进行了哪些研究？

汪家道：运动过程中，运动员是运动的，空气是静止的，这时候进行阻力测量很不容易。那怎么办？建风洞，让运动员不动，让空气流动。风洞建在一个封闭的环境中，通过大风扇，风能动起来，这时身处其中的人不动，同样可以造成运动过程中的风场。

在人不动的情况下，对他进行力和姿态的测量，从而开展很多研究。这样，风洞就变成了减阻研究的重要平台。在人为制造的风洞的风场环境下，对运动员进行阻力的优化、姿态的测量等相关工作。在工业上也一样，飞机乃至各种航天器，也都是利用风洞做类似研究的。

这次冬奥会在科技部重点专项和体育总局的支持下，项目团队参与协助，建了两个重要的风洞。一个在河北涞源，它是全世界首个针对跳台滑雪项目的专业风洞；另一个在北京二七厂，它是空气阻力研究和一些相关训练最基础的平台。

问：风洞对于运动员的训练和成绩提高是不是具有很大帮助？

汪家道：对。比如滑冰和滑雪，运动员在空气当中受到的阻力，在风洞里面可以测试，对于他们的生理生化指标，也可以监控。

冬季项目中，北欧两项的成绩由两部分组成，越野滑雪和跳台滑雪。跳台滑雪是什么？简单说，就是运动员从一个斜坡上滑下来，获得初速度，利用惯性在空中飞行。跳台滑雪的成绩就取决于飞行的距离。跳台滑雪运动员最关心两个方面，一个是怎么利用空气产生升力，飞得更远；另一个是如何减小前进过程的摩擦阻力，使空气阻力变小。对于如何减小空气阻力，利用风洞正好可以做这样的研究。所以，对跳台滑雪这种在空中飞行的项目来说，风洞是非常重要的。

运动员在前进过程中会保持比较优势的姿态，这个姿态产生的空气阻力比较小。而通过风洞减阻测试，我们会提出优化方案，运动员结合自己的能力，可以优化自己的姿态。通过强化训练，他们可以明显提高前进速度。

同时，还能实现编队减阻。以短道速滑为例，它是一群人在一起比赛，在这个过程中，运动员不能简单考虑超、跟，因为所处位置不同阻力不同，还需考虑阻力问题。比如前面两个运动员并排的时候，后面的运动员阻力会小很多，接近30%。让运动员了解不同位置编队阻力的大小，通过编队优化，知道什么时候该卡位、什么时候该超速，对提高技战术和临场发挥大有裨益。

所以，对于运动员训练来说，通过风洞减阻，我们可以提供最直接的帮助。

除了运动员姿态、编队等减阻之外，在装备方面，我们利用风洞，对运动员的头盔、服装等减阻也做了相应研究，目前来看效果非常好。比如头盔，在气动外形之外，我们还设计了一些微结构，这些微结构对减阻十分重要。服装方面，科技冬奥专项的负责人是北京服装学院的刘莉教授，她在气动减阻部分的设计和相关理论，由我们团队承担。通过表面微结构的设计等，使比赛服装的阻力大幅下降。

冬奥会和其他大型体育赛事一样，比拼的不仅是运动员的技战能力，更是各个国家的科技水平。比如风洞，它体现的是一个国家的实力。再比如装备，由于科技水平的提高，运动员可以用上更好的装备，在赛场上就能占据一定的优势。这也是“科技冬奥”的魅力所在。

“三明治”冰刀和自润滑雪板是利器

问：风洞是解决气阻的一项重大研究，对于解决摩擦阻力，我们进行了哪些研究？

汪家道：冬季项目有两大类，一类是冰上运动，一类是雪上运动。由于介质不一样，来自地面的摩擦阻力不一样，减阻的方式也不一样。

冰上运动一般都借助冰鞋，冰鞋下面有一个冰刀，真正跟冰面接触的就是冰刀。我们主要通过冰刀摩擦阻力的减小，为冰上运动“赋能”。由于冰上运动需要前进，所以在减小冰刀摩擦阻力的同时，还得提高它前进的动力——这两点，是冰刀需要解决的关键问题。

雪上运动则主要通过雪板。我们需要研究雪板和雪之间摩擦力的大小，提出减小雪板在雪面上摩擦阻力的方案。目前，国际上通用的是打蜡技术，但我们希望这次能提供新的技术。

问：在新装备研发上，能否具体介绍一下，冰刀和雪板是怎样减少阻力的？

汪家道：冰刀方面，我们提出了一个全新想法并付诸实践，取得良好效果。冰刀跟冰面接触，摩擦阻力取决于冰刀的形状和材料。冰刀厚度一般也就一两毫米，形状上没有太大的改进余地。所以它最重要的变化体现在材料上，包括硬度、耐磨性、摩擦力等。

我们提出，让冰刀两边增强。冰上运动对冰刀的要求有两个，一个是滑行前进方向摩擦阻力要小，另一个是蹬踏时前进的动力要大，这样才能滑得远。可是，这两点在很多情况下是矛盾的，怎么办？

为了兼顾两方面，我们把冰刀做成类似三明治的结构，让冰刀两个侧面硬度高，中间硬度稍低。这样，冰刀在侧滑过程中，冰刃比较锋利，比较耐磨，从而提高了侧向蹬踏力，减小了摩擦阻力。经测算，蹬踏力可提高20%—30%，摩擦阻力可减小10%左右。

雪板方面，我们也做了有益的尝试。目前雪板减阻普遍的办法是在雪上打蜡，就是把蜡浸到雪板底膜上去滑行，减小摩擦力。非打蜡不可吗？能不能不打蜡？我们提出了自润滑方案。把雪蜡材料和底膜材料混合在一起，使底膜材料具有自润滑的特性，这样一来，滑动过程不需要打蜡，就可以实现减速了。

特别是对于长距离的越野滑雪，这种方式非常有用。以往，30公里、50公里的越野滑雪，一般最少需要换1至2次雪板，因为蜡被磨没了。如果采用自润滑方式，就不存在这个问题。目前，该方案还没有最终定型，正在努力研发中，希望今年冬奥会能用上。

“更多人参与体育”前景可期

问：刚刚您提到的这些装备是为专业运动员设计的，但是下一步会不会普及到市场上去，让普通老百姓也能够体验到这些高级装备，从而带动三亿人参与冰雪运动？

汪家道：也许每个人都希望，能像鸟一样在空中飞行。事实上，风洞完全可以向公众开放，让大家体验在空中飞行的感觉。

我们希望，对体育的研究最终能为大众健康造福。通过对体育相关技术的研发，为大众健康和大众参与运动提供一些可能。比如我们研发的冰刀，可以应用到大众体育中去，如果被广泛应用，使用者摔跤的概率会降低，因为它稳定性更好。

问：这次形成的技术成果，目前已应用于冰雪运动当中。但是包括服装、头盔等，这些成果是不是也可以应用到夏季运动中？或者，它还有哪些进一步的应用空间？

汪家道：做“科技冬奥”专项之前，我们团队已经参与了自行车空气减阻的研究和赛艇水面减阻的研究。实际上，我们为“科技冬奥”专项研发的相关技术和平台，完全可以应用到夏季项目中。从技术角度来讲，只要在空气里运动，受到空气阻力，我们就可以把现在的空气减阻技术，移植到夏季项目中去。跑步也是同样的道理。其实，我们已经开始在做了。

科技的提高，不仅仅针对冬奥，它对整个体育和其他领域的推广都是利好。我相信，科技的提高，一定会给大众健康和更多人参与体育提供可能。

（《人民周刊》2022年第2期）