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跳台滑雪运动背后的航空科技

跳台滑雪运动背后的航空科技
本报记者 矫 阳

  在北京冬奥会精彩的冰雪运动中,跳台滑雪是一项融合了速度、力量和勇气的冬奥极限运动,以其跳跃距离长远和动作姿势优美,深受各国冰雪爱好者的欢迎。大自然中的风是跳台滑雪运动员在训练、比赛时联系最紧密的伙伴。

  “不同的环境风,不同的运动速度,不同的身体重量,不同的飞行姿态,都会产生与之对应的空气变化规律,这就是专业所说的空气动力学特性。”中国航空工业集团有限公司空气动力研究院(以下简称航空工业气动院)院长、中国冰雪科学顾问袁立告诉科技日报记者。

  袁立告诉记者,经过一年多的风洞辅助训练和计算流体力学研究,航空工业气动院利用航空风洞科技,使中国跳台滑雪运动员成绩获得历史性突破——男子运动员首次跳过140米,女子运动员在国际积分赛中首次获得分站第一名,最终中国跳台滑雪队拿到了3张北京冬奥会“入场券”。

  风洞,是以人工的方式产生并控制气流,用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况,是进行空气动力实验最常用、最有效的工具,被誉为空气动力学技术发展的“先行官”。基本原理可以理解为,现实运动过程中是“物体运动,空气不动”,风洞中是“空气运动,物体不动”,进而模拟空气与物体间相互运动产生的空气动力学特性。

  “利用风洞,可以得到运动过程中的受力、速度、角度和旋转速度等参数,进而可以分析确定装备操控及身体的最佳姿势;通过流动显示技术,将测试物体周围气流流动特性可视化,分析和判读更加直观方便。”航空工业气动院技术专家、中国冰雪科学家王崇利说。

  2019年,在得知我国跳台运动员每年都得专程到国外进行风洞训练,时间成本和经济成本都极高之后,航空工业气动院主动联合国家体育总局,利用航空空气动力学原理,跨界为中国跳台滑雪项目量身打造了两类共三座体育专用风洞,其中,建于涞源的综合性体育风洞是全世界同类风洞中尺寸最大、测试功能最全面的体育空气动力试验设施。

  跳台滑雪运动和风洞科技碰撞出了绚丽的火花。在冰雪国家队一年多的风洞训练过程中,航空工业气动院科技人员一直陪伴在冰雪运动员身边,与跳台滑雪国家队充分交流,形成了从助滑、起跳到飞行的体系化科学训练方案。

  “在跳台滑雪助滑和起跳过程中,运动员的雪板是在固定的U形雪道中高速滑下,脚步发力状态不同,会导致雪板不可避免地剐蹭两侧雪道,进而导致下滑速度的损失。”王崇利说,通过风洞训练,可在模拟相对风速下,通过测力平台中的仪器精准测量运动员的双脚发力及不同动作姿态受到的摩擦阻力,来综合评估运动员脚步发力情况和起跳角度,从而改进助滑和起跳姿势,提高出台速度。

  “吊飞”是跳台滑雪中的一项重要训练。当风洞给定风速,超大“电扇”开始运转,运动员在安全绳的牵引下腾空,风洞内渐起的相对气流给予运动员气动升力。“在运动员处于空气动力和身体重力受力平衡状态时,运动员可做出跳台滑雪的空中飞行姿势,并在风洞中可以放心地尝试调整身体姿态,来体会对于身体平衡性的影响,有效提升运动员在空中保持最佳姿态驾驭雪板飞行的平衡能力。”王崇利说。

  据袁立介绍,除风洞辅助科研训练外,航空工业气动院另一项核心技术——计算流体力学(CFD),也为跳台滑雪研究提供了更加有效的助力手段,通过人体姿态三维扫描技术对跳台滑雪国家队队员开展了助滑和飞行姿态的三维建模,由于是采用计算机模拟手段,因此可以获得运动员身体绕流和身体各部位空气压力信息,通过对不同姿态下人体绕流和受到的升阻力分析,可辨识影响运动成绩的主要因素,为国家队优化技术动作提供了量化参考。 【编辑:孙静波】