權(quán)婧宜

風(fēng)洞，是進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)研究的主要裝置，其最大特點(diǎn)是可以人為控制氣流來(lái)模擬不同場(chǎng)景，并在此基礎(chǔ)上測(cè)試對(duì)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(yùn)工具、土木工程等領(lǐng)域，近些年也被廣泛應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，成為提高運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技成績(jī)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(tuán)隊(duì)研發(fā)了中國(guó)第一套冰雪項(xiàng)目風(fēng)洞輔助訓(xùn)練系統(tǒng)，建立了運(yùn)動(dòng)裝備風(fēng)阻性能評(píng)測(cè)及運(yùn)動(dòng)員風(fēng)洞測(cè)試方法，2021年7月被國(guó)家體育總局授予“中國(guó)冰雪科學(xué)家”的稱(chēng)號(hào)。

現(xiàn)代競(jìng)技體育是一個(gè)非常復(fù)雜的“人-機(jī)-環(huán)”系統(tǒng)工程，跟運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練、裝備、賽時(shí)環(huán)境密切相關(guān)。這其中，離不開(kāi)風(fēng)洞技術(shù)。

2018年，李波隨國(guó)家體育總局一行赴英國(guó)考察，英國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)專(zhuān)家介紹，他們運(yùn)用風(fēng)洞技術(shù)幫助英國(guó)自行車(chē)代表隊(duì)在2008年北京奧運(yùn)會(huì)中拿到了8枚金牌。這深深觸動(dòng)了李波，讓他認(rèn)識(shí)到了風(fēng)洞技術(shù)對(duì)于競(jìng)速體育成績(jī)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(jì)者的重點(diǎn)科研方向。

之后，李波帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建立了中國(guó)第一套風(fēng)洞輔助訓(xùn)練系統(tǒng)，而這一切都是從零開(kāi)始。從最初的資料收集，到對(duì)每個(gè)需要測(cè)試的體育項(xiàng)目的學(xué)習(xí)了解，再到專(zhuān)業(yè)測(cè)量?jī)x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(zhuān)業(yè)測(cè)量?jī)x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(gè)風(fēng)洞平臺(tái)，還需要測(cè)量?jī)x器，要求我們首先進(jìn)行核心硬件的研發(fā)，將運(yùn)動(dòng)員所承受的風(fēng)阻力精確測(cè)量出來(lái)。”

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(yùn)動(dòng)員需要站在一塊類(lèi)似天平的測(cè)量?jī)x器上進(jìn)行風(fēng)阻測(cè)試。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)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(diǎn)支撐風(fēng)阻測(cè)量?jī)x器很難進(jìn)行精確測(cè)量。為了提高測(cè)量精度，李波和團(tuán)隊(duì)專(zhuān)門(mén)研發(fā)出多模塊天平，將天平測(cè)量?jī)x中的單點(diǎn)支撐改為四點(diǎn)支撐，通過(guò)更多的測(cè)量感應(yīng)點(diǎn)來(lái)提高識(shí)別精度，建立了更精確的測(cè)試系統(tǒng)，提高測(cè)試效率。

在東京奧運(yùn)會(huì)期間，參加游泳、競(jìng)走、馬拉松等比賽的多支中國(guó)代表隊(duì)都曾參加過(guò)風(fēng)洞測(cè)試。李波和團(tuán)隊(duì)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中模擬高速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，通過(guò)高精度測(cè)力天平監(jiān)測(cè)和分析運(yùn)動(dòng)員在不同姿態(tài)、不同隊(duì)列形態(tài)下所受到的空氣阻力，最終生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，將定量化的數(shù)據(jù)提供給各自運(yùn)動(dòng)隊(duì)，為提升運(yùn)動(dòng)成績(jī)提供技術(shù)支持。

針對(duì)冬奧會(huì)中的冰雪項(xiàng)目，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室既可以為運(yùn)動(dòng)員開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)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(tái)滑雪項(xiàng)目為例，運(yùn)動(dòng)員需用6分30秒的時(shí)間乘坐纜車(chē)登上高臺(tái)，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(tái)上等待超過(guò)30分鐘，甚至臨時(shí)取消訓(xùn)練。因而，每位運(yùn)動(dòng)員一個(gè)上午最多能訓(xùn)練5次，飛行時(shí)間加起來(lái)不過(guò)30秒?！暗绻覀?cè)陲L(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行一個(gè)階段的專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練，每次每種訓(xùn)練進(jìn)行兩分鐘，就等于運(yùn)動(dòng)員在空中飛行了幾十次。”李波介紹說(shuō)。

“經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(xiàng)目的訓(xùn)練方法、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)隊(duì)列的優(yōu)化減阻、環(huán)境風(fēng)影響評(píng)估以及應(yīng)對(duì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)裝備風(fēng)阻性能評(píng)測(cè)技術(shù)，直接應(yīng)用到北京2022年冬奧會(huì)的備戰(zhàn)中?！崩畈ㄕf(shuō)。截至2021年9月30日，北京交通大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了冬奧會(huì)15個(gè)項(xiàng)目的風(fēng)洞測(cè)試，參加測(cè)試的運(yùn)動(dòng)員達(dá)367名。

除了運(yùn)動(dòng)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(chǎng)館設(shè)計(jì)、賽道設(shè)計(jì)等也都需要考慮風(fēng)帶來(lái)的影響。

北京2022年冬奧會(huì)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(dá)40米每秒，抗風(fēng)是該賽區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施、賽時(shí)臨時(shí)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(shí)臨時(shí)設(shè)施建設(shè)的抗風(fēng)能力，李波與團(tuán)隊(duì)成員采用實(shí)測(cè)與地形試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)延慶賽區(qū)復(fù)雜的山區(qū)風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，確定了重要建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)所需的風(fēng)場(chǎng)參數(shù)；同時(shí)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(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)等方法，助力延慶賽區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施及賽時(shí)臨時(shí)設(shè)施的建設(shè)。

據(jù)李波介紹，目前中國(guó)正在建設(shè)體育專(zhuān)業(yè)風(fēng)洞集群。2020年10月25日，國(guó)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(tuán)隊(duì)全程參與了包括這座風(fēng)洞在內(nèi)的國(guó)家體育總局體育風(fēng)洞集群的規(guī)劃和建設(shè)。目前國(guó)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(tái)滑雪專(zhuān)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(lái)或許還能應(yīng)用在群眾體育中。