2月11日，大陸運動員闫文港獲得北京冬奧男子鋼架雪車項目銅牌，這是中國運動員首次在該項目上登上領獎台。
他的同伴殷正則創下賽道出發紀錄，均創造了曆史。
鋼架雪車、雪車、雪橇，都是在一條賽道上的競速項目，相信很多人不僅分不清楚它們的差別，更看不出裡面的門道，這篇文章就來簡要介紹一下這些“雪橇”項目以及它們背後蘊含的科學。
撰文 | 下雪
2022年北京冬奧會接近尾聲，作為一名普通的中國觀衆，必然最為關注我們的奪金項目，比如短道速滑、自由式滑雪等，其他項目則總是抱着看看熱鬧的心态。而在所有冬奧項目中，或許最令我們“不明覺厲”的項目是雪車、鋼架雪車以及雪橇這三個競速項目——或躺或趴或坐，轉了幾圈就結束了比賽，勝負隻差毫厘，着實讓人摸不着頭腦。
不過，這也是這幾項運動的最大特點。雪車，号稱冰上F1；鋼架雪車，被譽為冰上俯沖機；迅如疾風，勢如閃電，其實它們是真正的硬核競技運動，處處展現着體育與科技的魅力。
闫文港在比賽中丨圖檔來源：IC photo
雪橇、雪車和鋼架雪車的差別與場地
雪橇、雪車和鋼架雪車，造型雖然各不相同，但從器材上看，其實它們都是雪橇（sled，sleigh）。作為一名普通觀衆，區分這三項運動并不困難，最簡單的方式是看運動員的身體形态。
雪橇（Luge），也稱無舵雪橇，運動員以腳在前，平躺在雪橇上的方式比賽。比賽開始時，運動員坐在雪橇上，雙臂用力向後推冰面以獲得初速度。雪橇是人類古老的運輸和出行方式，據記載15世紀就有了雪橇比賽。Luge本是法語中小型雪橇的意思。現代的無舵雪橇在1964年因斯布魯克冬奧會上成為正式項目。
2022北京冬奧雪橇男子雙人自由性别比賽丨圖檔來源：Daniel Mihailescu/AFP
雪車（Bobsleigh），顧名思義，運動員坐在車内“開”車比賽。雪車是曆史最悠久的冬奧項目，自首屆1924年霞慕尼冬奧會存在至今（隻有1960年司闊谷冬奧會缺席）。在1877年，瑞士人發明了可以擺動（bob）轉向的雪橇，後逐漸發展出比賽，是以它也被稱為有舵雪橇。該項目通常是團隊比拼——兩人或四人項目，坐在第一位的舵手可拉動轉向裝置控制方向；後座最後一人是刹車手，可控制車内推杆刹車（比賽中幾乎不使用）。今年北京冬奧首次加入了女子單人雪車項目（Monobob）。比賽開始時，運動員需要跑步推動雪車上可回縮的推杆（刹車手推車尾部的扶手）推車加速，大約直線跑50米後依次迅速鑽入車内開始滑行。
四人雪車項目，起跑後從最前舵手到最後刹車手依次跳入車内丨圖檔來源：IBSF
雪車組成部分丨圖檔來源：adventure.howstuffworks.com
鋼架雪車（Skeleton）是單人項目，運動員推着雪橇起跑，然後頭朝前趴在雪橇上進行比賽，雪橇上裝有緩沖器。鋼架雪車運動同樣起源于19世紀，1892年由純鋼制成的雪橇，即鋼架雪車誕生了。至于為什麼叫“Skeleton”，有人推測是因為最原始的“木質雪橇”比較像骨頭，也有人認為是挪威語雪橇“Kjaelke”誤譯成了“Skele”。無論起源是什麼，鋼架雪車一直是很受歡迎的冬季運動——它曾因太過危險而被移除奧運項目，又于2002年回歸。
鋼架雪車項目丨圖檔來源：Insider
将雪橇、雪車和鋼架雪車（以下簡稱雪車雪橇運動）三項比賽放在一起介紹，一個最大原因是它們共用一條賽道，雪車和鋼架雪車同一起點，雪橇則另有起點。
北京冬奧雪車雪橇比賽在位于北京延慶的國家雪車雪橇中心舉行，賽道全長1975米（比賽長度1615米），有16個角度、坡度不同的彎道（最大坡度18%，平均坡度6%，且有世界第一個360度彎道），垂直落差121米。為滿足高速滑行的要求，雪車雪橇賽道設計成複雜的空間三維曲面。國家雪車雪橇中心是國内第一條、世界第十七條由國際雪車聯合會（IBSF）認證的賽道；形如遊龍盤踞峻嶺間，是以得名“雪遊龍”。
國家雪車雪橇中心及其賽道路線圖丨圖檔來源：IBSF
快！取決于實體
雪車雪橇項目是冬奧賽場上最快的項目之三（高山速降滑雪也很快），四人雪車比賽最高時速可達150Km/h，無舵雪橇也能達到140Km/h。如此高速的來源其實非常容易了解——重力，運動員僅憑人和雪橇的重力從高處向低處運動。此過程中重力勢能轉化為動能，兩者都與品質成正比，是以品質越大，在其他條件都相同時，四人雪車将是最快的。
國際雪車聯合會（IBSF）出台的雪車項目規則中嚴格限制了車重，車身重量不足的情況可能需要在車内加入配重——如何在雪車内配置設定重量将對速度起關鍵作用。賽前和賽後，比賽隊員和雪車都會進行稱重。
雪車和鋼架雪車重量限制
在曲折蜿蜒、冰雪覆寫的賽道背後，是各種實體規律交相輝映的舞台——完美的賽道環境，冰面摩擦力、空氣阻力是影響速度的關鍵因素；同時需要雪車雪橇本身性能出衆，運動員身着裝備得當。運動員在舞台上的演出，才是能否成為冠軍的決定性因素，他将是完美應對所有的微妙實體學現象的第一人。
必須要說明的是，雪車雪橇項目是危險的運動。急速過彎時，運動員将受到高達5~6g的加速度數秒。同樣的加速度我們也在過山車中能體驗到（參見《冒險者的遊戲：過山車的曆史、實體與心理學》 ），但我們全程是安全固定在車座上，而比賽選手隻能依靠自身的肌肉控制。2010年溫哥華冬奧會上，一名格魯吉亞的運動員在訓練時就因滑出賽道不幸身亡。另一方面，頭部撞擊的後果也不可預估，運動員還要承受比賽過程中雪橇産生的巨大噪聲，有研究認為可能長時間這樣的狀态會造成精神疾病。（關于運動導緻腦震蕩，可參見《女足奪冠！頭球作用關鍵，但頂多了會有“職業病”，嚴重者會患老年癡呆》）
善用空氣動力學
冬奧會的雪車雪橇項目大多數賽道長約1.6千米，選手能在1分鐘内飙完全程。比賽則進行四輪，最終成績為四輪時間之和。即使如此，冠亞軍差距也僅在百分之幾秒，甚至千分之幾秒的時間。空氣動力學在此就起到了重要作用。早期的風洞實驗和計算流體力學（CFD）的研究顯示，空氣阻力占據總阻力的20%~26%；減少3%的阻力，最終成績将提高十分之一秒。
就雪車運動來說，其主要的阻力來源于壓差阻力。在車體的尺寸方面，一般資料可能會給出大概的限制，比如四人雪車不超過3.8米。（在無舵雪橇和鋼架雪車比賽中，“雪橇”同樣受到嚴格限制。）事實上，國際雪車聯合會對現代雪車的設計有非常嚴格的規定，在出台的規則中直接給出了設計圖紙。這樣做的原因是既要保證運動員安全，同時起到公平競争的作用。當然，這裡也有一些靈活度，是以雪車設計的技術含量就凸顯出來——現代雪車被設計成更符合空氣動力學的流線型。車體外殼（整流罩）的整體和地盤的幾何形狀（特别是車頭和尾翼），以及前後拼接縫，制動器的位置等都将對速度産生影響。
雪車的制造還要考慮其材質。雖然雪車總體重量很大，但運動轉向時需要非常易于操控，同時保證運動員的安全，車身需要很輕且抗沖擊，底盤則具有極高的強度。廠商會選擇碳纖維複合材料——一台世界級的雪車造價在25000-70000英鎊，而下面的滑行裝置（橇刃）也達到4000-10000英鎊。運動員都頭戴面罩式的頭盔，而非頭盔加護目鏡的組合，也是為了減小空氣阻力。
雪車上領先設計者僅屬于少數幾個生産商。首量國産雪車是由中國航天科技集團聯合中國一汽制造丨圖檔來源：CGTN
實際上，除了花樣滑冰、冰壺等冬季運動外，空氣阻力對大多數冬季運動中都影響極大。有些項目，例如跳台滑雪比賽，官方組織甚至會限制使用減少空氣阻力的創新技術，就像遊泳比賽中已禁止穿着鲨魚皮泳衣。從面料到印花、透氣與彈性，科學家對冬季運動服裝各方面都進行過深入探索。不過雪車雪橇項目并未對着裝有嚴格要求——畢竟身體控制稍差一點，其影響比空氣動力學的影響大得多。他們一般身着緊身運動服和手套，雪橇項目手套上帶有釘子幫助起跑，雪車運動員則穿釘鞋。
雪橇比賽運動員的手套丨圖檔來源：Sportsmatik
克服摩擦，調整最優路線
如果要問，冰為什麼滑？這是一個實體學家花了上百年時間仍未找到确切答案的問題。早期研究認為，冰表面形成了一層水膜起到潤滑作用，這一現象最初是由法拉第發現的。1987年科學家通過X射線衍射證明了冰表面确實有一層準液态層（quasi-liquid layers，QLL），厚度僅為幾十納米，後來則發現這是一種亞穩瞬态，在冰升華和水蒸氣增長時存在。不過，理論上還沒能找出實驗觀察到溫度在冰熔點附近時摩擦力會比低溫時大的原因。以上文字隻是想說明，關于水（冰、雪）實在有太多的學問；僅提冬季運動，不同相對速度下滑動摩擦系數就很難确定；空氣濕度對冰面摩擦系數也有很大影響。這也是雪車雪橇運動的最大阻力來源——橇刃與冰面的摩擦；但畢竟比賽場地環境不是選手能決定的，要克服摩擦力，還需要他們自身的水準。
在理論上，研究人員對雪車雪橇運動模組化，從最簡單的規定軌道一維質點模型到把運動員和雪橇視為剛體的複雜模型，理論結果和實際比賽都告訴我們滑行軌迹将是決勝的關鍵因素。簡單來說就是運動員要善于規劃路線，縮短總路程。觀看比賽很容易發現，如果運動員轉彎後磕碰到賽道邊緣，或是路線沒有那麼完美，最終成績就将大大折扣。
無舵雪橇比賽需要完全“躺平”、鋼架雪車則要“趴平”，細微之處是他們軀體、雙腿位置和頭俯仰角度。鋼架雪車比賽中，如果選手擡頭觀察賽道，身體重心可能發生改變，則可能會導緻偏離軌道。雪車項目中，運動員在車内的坐姿則會對運動軌迹有較大影響（也影響空氣動力學）。
理想狀态下過彎直道和彎道的基本受力分析，實際情況非常複雜，但目前轉彎模拟和實驗吻合程度很高
由于雪車和鋼架雪車前面有一段助跑，并且這部分對總成績有影響，許多該項目的運動員都是從田徑項目轉型的。在這樣緊張刺激的比賽中，對吃瓜群衆來說最為歡樂的時刻可能是車出去了，人沒上去（如果是多人比賽，隊友或許能把他拽進去）。
鋼架雪車推車啟動階段影響因素
是以，運動員身體感覺和控制才是真正決定勝負的因素。比賽瞬息萬變，作為觀衆很難看清那些驚險刺激的環節如何被優秀運動員巧妙應對——全程架設數十個錄影機，我們也隻能看個大概。這也是為什麼看比賽時，感覺他們都是同樣的姿勢，可有些運動員就是快的原因。
雪車雪橇難度大，還是玩玩爬犁吧。