迎“風(fēng)”而行 科技助力冬奧備戰(zhàn)

權(quán)婧宜

風(fēng)洞，是進行空氣動力學(xué)研究的主要裝置，其最大特點是可以人為控制氣流來模擬不同場景，并在此基礎(chǔ)上測試對象受到的空氣阻力。風(fēng)洞技術(shù)通常應(yīng)用于航空航天、載運工具、土木工程等領(lǐng)域，近些年也被廣泛應(yīng)用于體育運動領(lǐng)域，成為提高運動員競技成績的重要科技手段之一。

北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院教授李波，帶領(lǐng)團隊研發(fā)了中國第一套冰雪項目風(fēng)洞輔助訓(xùn)練系統(tǒng)，建立了運動裝備風(fēng)阻性能評測及運動員風(fēng)洞測試方法，2021年7月被國家體育總局授予“中國冰雪科學(xué)家”的稱號。

現(xiàn)代競技體育是一個非常復(fù)雜的“人-機-環(huán)”系統(tǒng)工程，跟運動員的訓(xùn)練、裝備、賽時環(huán)境密切相關(guān)。這其中，離不開風(fēng)洞技術(shù)。

2018年，李波隨國家體育總局一行赴英國考察，英國空氣動力學(xué)專家介紹，他們運用風(fēng)洞技術(shù)幫助英國自行車代表隊在2008年北京奧運會中拿到了8枚金牌。這深深觸動了李波，讓他認識到了風(fēng)洞技術(shù)對于競速體育成績提升的重要性以及風(fēng)洞技術(shù)自主研發(fā)的迫切性。這次考察也改變了這位從事建筑抗風(fēng)設(shè)計者的重點科研方向。

之后，李波帶領(lǐng)團隊建立了中國第一套風(fēng)洞輔助訓(xùn)練系統(tǒng)，而這一切都是從零開始。從最初的資料收集，到對每個需要測試的體育項目的學(xué)習(xí)了解，再到專業(yè)測量儀器的研發(fā)調(diào)試，工作多而龐雜。其中最難的環(huán)節(jié)當(dāng)屬專業(yè)測量儀器的自主研發(fā)。李波介紹：“輔助訓(xùn)練系統(tǒng)不僅需要一個風(fēng)洞平臺，還需要測量儀器，要求我們首先進行核心硬件的研發(fā)，將運動員所承受的風(fēng)阻力精確測量出來。”

多模塊天平是風(fēng)洞輔助訓(xùn)練系統(tǒng)的核心研發(fā)部件。在風(fēng)洞中，運動員需要站在一塊類似天平的測量儀器上進行風(fēng)阻測試。因為運動員加上裝備后的重量很大，并且底面積也很大，所以用傳統(tǒng)的單點支撐風(fēng)阻測量儀器很難進行精確測量。為了提高測量精度，李波和團隊專門研發(fā)出多模塊天平，將天平測量儀中的單點支撐改為四點支撐，通過更多的測量感應(yīng)點來提高識別精度，建立了更精確的測試系統(tǒng)，提高測試效率。

在東京奧運會期間，參加游泳、競走、馬拉松等比賽的多支中國代表隊都曾參加過風(fēng)洞測試。李波和團隊在風(fēng)洞實驗室中模擬高速運動的狀態(tài)，通過高精度測力天平監(jiān)測和分析運動員在不同姿態(tài)、不同隊列形態(tài)下所受到的空氣阻力，最終生成實驗報告，將定量化的數(shù)據(jù)提供給各自運動隊，為提升運動成績提供技術(shù)支持。

針對冬奧會中的冰雪項目，風(fēng)洞實驗室既可以為運動員開展專項訓(xùn)練提供良好的模擬環(huán)境，又可以極大提升訓(xùn)練效率。以跳臺滑雪項目為例，運動員需用6分30秒的時間乘坐纜車登上高臺，走到訓(xùn)練高度的階梯，坐上扶桿，等待教練員指令，雙手推桿滑出……這一切，只為在空中5秒的飛行。一趟訓(xùn)練流程走完短則10余分鐘，如遇天氣變化，則需在高臺上等待超過30分鐘，甚至臨時取消訓(xùn)練。因而，每位運動員一個上午最多能訓(xùn)練5次，飛行時間加起來不過30秒?！暗绻覀冊陲L(fēng)洞實驗室中進行一個階段的專項訓(xùn)練，每次每種訓(xùn)練進行兩分鐘，就等于運動員在空中飛行了幾十次?！崩畈ń榻B說。

“經(jīng)過一段時間的摸索，我們已經(jīng)形成了一套完整的風(fēng)洞技術(shù)應(yīng)用體系：包括冬季項目的訓(xùn)練方法、運動姿態(tài)和運動隊列的優(yōu)化減阻、環(huán)境風(fēng)影響評估以及應(yīng)對技術(shù)、運動裝備風(fēng)阻性能評測技術(shù)，直接應(yīng)用到北京2022年冬奧會的備戰(zhàn)中。”李波說。截至2021年9月30日，北京交通大學(xué)風(fēng)洞實驗室研究團隊已經(jīng)完成了冬奧會15個項目的風(fēng)洞測試，參加測試的運動員達367名。

除了運動員訓(xùn)練可以依靠風(fēng)洞模擬比賽環(huán)境以外，體育比賽的場館設(shè)計、賽道設(shè)計等也都需要考慮風(fēng)帶來的影響。

北京2022年冬奧會延慶賽區(qū)位于小海陀山，該賽區(qū)地形復(fù)雜、大風(fēng)凜冽，冬季極端風(fēng)速可達40米每秒，抗風(fēng)是該賽區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施、賽時臨時設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵。

為了研究延慶賽區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施、賽時臨時設(shè)施建設(shè)的抗風(fēng)能力，李波與團隊成員采用實測與地形試驗相結(jié)合的方法，對延慶賽區(qū)復(fù)雜的山區(qū)風(fēng)場特性進行了研究，確定了重要建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計所需的風(fēng)場參數(shù)；同時結(jié)合延慶賽區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的形體和結(jié)構(gòu)特征，提出了選取節(jié)段模型進行風(fēng)洞試驗等方法，助力延慶賽區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施及賽時臨時設(shè)施的建設(shè)。

據(jù)李波介紹，目前中國正在建設(shè)體育專業(yè)風(fēng)洞集群。2020年10月25日，國內(nèi)首座體育綜合風(fēng)洞在二七廠科訓(xùn)基地正式啟用。李波和團隊全程參與了包括這座風(fēng)洞在內(nèi)的國家體育總局體育風(fēng)洞集群的規(guī)劃和建設(shè)。目前國家體育總局已經(jīng)建設(shè)的風(fēng)洞集群包括：二七廠科訓(xùn)體育綜合風(fēng)洞、淶源跳臺滑雪專業(yè)風(fēng)洞、小型便捷式風(fēng)洞、垂直風(fēng)洞等。隨著應(yīng)用技術(shù)的成熟，風(fēng)洞技術(shù)未來或許還能應(yīng)用在群眾體育中。