跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)背后的航空科技

文／矯 陽(yáng)

在北京冬奧會(huì)精彩的冰雪運(yùn)動(dòng)中，跳臺(tái)滑雪是一項(xiàng)融合了速度、力量和勇氣的冬奧極限運(yùn)動(dòng)，以其跳躍距離長(zhǎng)遠(yuǎn)和動(dòng)作姿勢(shì)優(yōu)美，深受各國(guó)冰雪愛(ài)好者的歡迎。大自然中的風(fēng)是跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練、比賽時(shí)聯(lián)系最緊密的伙伴。

“不同的環(huán)境風(fēng)，不同的運(yùn)動(dòng)速度，不同的身體重量，不同的飛行姿態(tài)，都會(huì)產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的空氣變化規(guī)律，這就是專業(yè)所說(shuō)的空氣動(dòng)力學(xué)特性。”中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司空氣動(dòng)力研究院（以下簡(jiǎn)稱航空工業(yè)氣動(dòng)院）院長(zhǎng)、中國(guó)冰雪科學(xué)顧問(wèn)袁立告訴記者。

袁立告訴記者，經(jīng)過(guò)一年多的風(fēng)洞輔助訓(xùn)練和計(jì)算流體力學(xué)研究，航空工業(yè)氣動(dòng)院利用航空風(fēng)洞科技，使中國(guó)跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員成績(jī)獲得歷史性突破——男子運(yùn)動(dòng)員首次跳過(guò)140米，女子運(yùn)動(dòng)員在國(guó)際積分賽中首次獲得分站第一名，最終中國(guó)跳臺(tái)滑雪隊(duì)拿到了3張北京冬奧會(huì)“入場(chǎng)券”。

風(fēng)洞，是以人工的方式產(chǎn)生并控制氣流，用來(lái)模擬飛行器或?qū)嶓w周圍氣體的流動(dòng)情況，是進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)最常用、最有效的工具，被譽(yù)為空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)發(fā)展的“先行官”。基本原理可以理解為，現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是“物體運(yùn)動(dòng)，空氣不動(dòng)”，風(fēng)洞中是“空氣運(yùn)動(dòng)，物體不動(dòng)”，進(jìn)而模擬空氣與物體間相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)特性。

“利用風(fēng)洞，可以得到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力、速度、角度和旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)，進(jìn)而可以分析確定裝備操控及身體的最佳姿勢(shì)；通過(guò)流動(dòng)顯示技術(shù)，將測(cè)試物體周圍氣流流動(dòng)特性可視化，分析和判讀更加直觀方便。”航空工業(yè)氣動(dòng)院技術(shù)專家、中國(guó)冰雪科學(xué)家王崇利說(shuō)。

2019年，在得知我國(guó)跳臺(tái)運(yùn)動(dòng)員每年都得專程到國(guó)外進(jìn)行風(fēng)洞訓(xùn)練，時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本都極高之后，航空工業(yè)氣動(dòng)院主動(dòng)聯(lián)合國(guó)家體育總局，利用航空空氣動(dòng)力學(xué)原理，跨界為中國(guó)跳臺(tái)滑雪項(xiàng)目量身打造了兩類共三座體育專用風(fēng)洞，其中，建于淶源的綜合性體育風(fēng)洞是全世界同類風(fēng)洞中尺寸最大、測(cè)試功能最全面的體育空氣動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)施。

跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)和風(fēng)洞科技碰撞出了絢麗的火花。在冰雪國(guó)家隊(duì)一年多的風(fēng)洞訓(xùn)練過(guò)程中，航空工業(yè)氣動(dòng)院科技人員一直陪伴在冰雪運(yùn)動(dòng)員身邊，與跳臺(tái)滑雪國(guó)家隊(duì)充分交流，形成了從助滑、起跳到飛行的體系化科學(xué)訓(xùn)練方案。

“在跳臺(tái)滑雪助滑和起跳過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)員的雪板是在固定的U形雪道中高速滑下，腳步發(fā)力狀態(tài)不同，會(huì)導(dǎo)致雪板不可避免地剮蹭兩側(cè)雪道，進(jìn)而導(dǎo)致下滑速度的損失。”王崇利說(shuō)，通過(guò)風(fēng)洞訓(xùn)練，可在模擬相對(duì)風(fēng)速下，通過(guò)測(cè)力平臺(tái)中的儀器精準(zhǔn)測(cè)量運(yùn)動(dòng)員的雙腳發(fā)力及不同動(dòng)作姿態(tài)受到的摩擦阻力，來(lái)綜合評(píng)估運(yùn)動(dòng)員腳步發(fā)力情況和起跳角度，從而改進(jìn)助滑和起跳姿勢(shì)，提高出臺(tái)速度。

“吊飛”是跳臺(tái)滑雪中的一項(xiàng)重要訓(xùn)練。當(dāng)風(fēng)洞給定風(fēng)速，超大“電扇”開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)員在安全繩的牽引下騰空，風(fēng)洞內(nèi)漸起的相對(duì)氣流給予運(yùn)動(dòng)員氣動(dòng)升力。“在運(yùn)動(dòng)員處于空氣動(dòng)力和身體重力受力平衡狀態(tài)時(shí)，運(yùn)動(dòng)員可做出跳臺(tái)滑雪的空中飛行姿勢(shì)，并在風(fēng)洞中可以放心地嘗試調(diào)整身體姿態(tài)，來(lái)體會(huì)對(duì)于身體平衡性的影響，有效提升運(yùn)動(dòng)員在空中保持最佳姿態(tài)駕馭雪板飛行的平衡能力。”王崇利說(shuō)。

據(jù)袁立介紹，除風(fēng)洞輔助科研訓(xùn)練外，航空工業(yè)氣動(dòng)院另一項(xiàng)核心技術(shù)——計(jì)算流體力學(xué)（CFD），也為跳臺(tái)滑雪研究提供了更加有效的助力手段，通過(guò)人體姿態(tài)三維掃描技術(shù)對(duì)跳臺(tái)滑雪國(guó)家隊(duì)隊(duì)員開(kāi)展了助滑和飛行姿態(tài)的三維建模，由于是采用計(jì)算機(jī)模擬手段，因此可以獲得運(yùn)動(dòng)員身體繞流和身體各部位空氣壓力信息，通過(guò)對(duì)不同姿態(tài)下人體繞流和受到的升阻力分析，可辨識(shí)影響運(yùn)動(dòng)成績(jī)的主要因素，為國(guó)家隊(duì)優(yōu)化技術(shù)動(dòng)作提供了量化參考。