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鋼架雪車,趴着的運動員也操碎了心,微操控的奧秘

作者:力學Nerd王小胖

1、引言

2月11日晚,闫文港以4分1秒77的成績獲得銅牌,這是大陸第一枚鋼架雪車冬奧會獎牌;殷正以4分2秒13的成績位列第5名,并以4秒58的成績創造了賽道出發紀錄。中國鋼架雪車隊在冬奧會上獲得了突破性的成績。從畫面上看,鋼架雪車出發後,運動員就躺平了,完全依靠地球引力來加速,那麼躺平的運動員怎麼操作才能讓速度更快呢?

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闫文港

2、速度是制勝法寶

鋼架雪車應該是一個比較陌生的項目,它需要在出發點的50m内讓雪車盡可能地加速,然後運動員直接趴在上面,沿着固定的滑道,借助重力勢能不斷加速。賽道九轉十八彎,稍不注意可能就會沖出賽道。

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出發階段

鋼架雪車是靠重力進行加速的,比賽場地雪遊龍高低落差121m,比賽賽道全長1615m,雪車與冰面的動摩擦系數約0.035,理論上的自然滑行終點速度為128km/h。這裡順帶提一下,運動員人體的重量,理論上不影響終點的速度。據報道,闫文港的最高時速就是接近130km/h。由此可見,他在比賽的過程中,基本上沒有增加額外的阻力。

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速度估算

鋼架雪車追求的就是極緻的速度,但是鋼架雪車上是沒有動力裝置的,除了剛開始的那50m加速,剩下的沒有任何可以人為加速的可能。它不像水中劃船那樣,可以依靠手腳向後劃來提供動力。在鋼架雪車上,手腳的“劃船”動作速度跟不上雪車的速度,隻會增加額外的阻力。是以,鋼架雪車運動,是一個一開始就決定結果的運動,最開始的那50m至關重要。初速度越大,就越有機會赢得獎牌。

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鋼架雪車

3、躺平的運動員也很累

既然出發決定結果,那麼運動員是不是就可以不管過程,直接趴在上面休息了呢?顯然是不可能的。力學上有個最速降線,雖然路程比直線距離更長一些,但是花的時間卻是最短的。雪遊龍的下降過程不是最速降線,每個人的賽道都一樣,運動員想要更快的速度,應該盡量減小對鋼架雪車的人為幹預。理論上,不加幹預的自然運作軌迹就是最佳路徑。但是,由于賽道并非全封閉,如果不加幹預,在拐彎的時候可能會沖出賽道,運動員的作用就是展現在這裡。

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最速降線

那運動員是如何操控的呢?腳、身體,以及頭的姿态控制對雪車的前進軌迹影響至關重要。運動員的腳是可以觸地的,如果拐彎速度過快,就可以用腳幹預一下,增加摩擦力。不過,這種情況顯然是迫不得已才會采取的方法。為了調整雪車的前進軌迹,身體的側壓可以起到一定的作用。雪車底部是2個冰刀,正常前進時,人體壓在正中間,2個冰刀的摩擦力一樣。如果想要向右偏行,身體向右側壓,增加右冰刀的摩擦力,這樣左邊快,右邊慢,實作向右偏行。

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受力圖

頭部的左右旋轉也可以幹預雪車的前進軌迹,頭部向右旋轉,那麼由于動量矩守恒,腳部就會向左旋轉,進而實作右轉的效果,如果頭盔的重量更大一點,甚至能夠做到甩尾的動作,實作高速拐彎的可能。前面說過,雪車的速度很快,那麼運動員一點點控制的變化,就足以改變雪車的前進軌迹。這就要求運動員有很好的控制力和判斷力。另外,想要獲得更快的速度,空氣阻力的影響也不容忽視。經過風洞驗證的頭盔,能夠降低阻力系數。而身材魁梧的運動員由于迎風面積大會比較吃虧。

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角動量守恒

4、奪金黑科技

前面說了,鋼架雪車項目最關鍵還是出發階段的50m加速。殷正的賽道出發紀錄,背後也有着力學黑科技。出發階段,比較容易出現“拉撬減速”,北理工的科研團隊,通過高速相機、傳感器,分析運動員和雪車的運動狀态,進而為訓練提供資料,避免拉撬減速。此外,滑行階段也可以通過得到的資料,分析雪車軌道,為運動員控制雪車提供依據,找到最優的前進路線。

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北理工科研團隊

5、總結

是以,看似躺平的鋼架雪車,這次能夠實作0的突破,拿下銅牌,背後離不開科研團隊的資料分析,離不開運動員的精準控制,更離不開平時的刻苦訓練。

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