汪家道，清華大學(xué)機(jī)械工程系主任，教授，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)——冬季項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)減阻關(guān)鍵技術(shù)及平臺(tái)研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。

長期從事運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)減阻、裝備減阻研究，提出基于粘性底層內(nèi)表面橫向微凹槽構(gòu)建微旋渦的氣動(dòng)微旋渦減阻技術(shù)、基于超疏水效應(yīng)和水下三相結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)水蒸發(fā)的水下微空泡減阻技術(shù)，發(fā)展了基于柔性壓印的表面微結(jié)構(gòu)加工方法。在風(fēng)洞訓(xùn)練、姿態(tài)優(yōu)化、冰雪表面的摩擦減阻優(yōu)化等領(lǐng)域，協(xié)助中國冰雪運(yùn)動(dòng)員提高成績。

冬奧會(huì)絕大多數(shù)項(xiàng)目為競(jìng)速項(xiàng)目，競(jìng)速項(xiàng)目成績的提高對(duì)冬奧會(huì)整體水平的提高至關(guān)重要。國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)開展了冬季項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)減阻關(guān)鍵技術(shù)及平臺(tái)研究項(xiàng)目，基于體育風(fēng)洞、氣動(dòng)及摩擦阻力測(cè)評(píng)裝備等建設(shè)，形成國際一流競(jìng)速類運(yùn)動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)研究與支持平臺(tái)。此外，面向冬季競(jìng)速項(xiàng)目氣動(dòng)及冰雪表面摩擦減阻開展研究，在實(shí)現(xiàn)姿態(tài)優(yōu)化、裝備減阻、摩擦調(diào)控等領(lǐng)域獲得理論和關(guān)鍵技術(shù)突破，發(fā)展雪車、頭盔、滑板等減阻裝備和用蠟，實(shí)現(xiàn)冬奧競(jìng)速項(xiàng)目大幅減阻，助力運(yùn)動(dòng)員實(shí)現(xiàn)“更快”“更高”目標(biāo)。

日前，該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、清華大學(xué)機(jī)械工程系主任汪家道從科學(xué)減阻的角度，向記者介紹了冰雪競(jìng)速項(xiàng)目的減阻科學(xué)、技巧和裝備研發(fā)情況。

問：請(qǐng)解釋一下，運(yùn)動(dòng)減阻的概念具體指什么？運(yùn)動(dòng)減阻減的是哪些阻力？

汪家道：運(yùn)動(dòng)減阻，對(duì)這次冬奧項(xiàng)目來說，主要是針對(duì)競(jìng)速項(xiàng)目。競(jìng)速項(xiàng)目靠速度取勝，在冰雪運(yùn)動(dòng)過程中，有速度就會(huì)與空氣產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)感覺有風(fēng)，這部分風(fēng)就會(huì)產(chǎn)生阻力，我們叫風(fēng)阻。同時(shí)，要運(yùn)動(dòng)，就必須跟地面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在冰雪項(xiàng)目中，地面要么是冰、要么是雪，冰雪會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力。這兩部分阻力，構(gòu)成了運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目前進(jìn)過程中的總阻力。

運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練就是要克服這個(gè)阻力，提高速度。換句話說，降低阻力，就可以使運(yùn)動(dòng)速度提高、成績提高。

所以，運(yùn)動(dòng)減阻主要是通過空氣阻力和冰雪摩擦阻力的減小，提高運(yùn)動(dòng)員的成績。

問：針對(duì)風(fēng)阻，咱們進(jìn)行了哪些研究？

汪家道：運(yùn)動(dòng)過程中，運(yùn)動(dòng)員是運(yùn)動(dòng)的，空氣是靜止的，這時(shí)候進(jìn)行阻力測(cè)量很不容易。那怎么辦？建風(fēng)洞，讓運(yùn)動(dòng)員不動(dòng)，讓空氣流動(dòng)。風(fēng)洞建在一個(gè)封閉的環(huán)境中，通過大風(fēng)扇，風(fēng)能動(dòng)起來，這時(shí)身處其中的人不動(dòng)，同樣可以造成運(yùn)動(dòng)過程中的風(fēng)場(chǎng)。

在人不動(dòng)的情況下，對(duì)他進(jìn)行力和姿態(tài)的測(cè)量，從而開展很多研究。這樣，風(fēng)洞就變成了減阻研究的重要平臺(tái)。在人為制造的風(fēng)洞的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下，對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行阻力的優(yōu)化、姿態(tài)的測(cè)量等相關(guān)工作。在工業(yè)上也一樣，飛機(jī)乃至各種航天器，也都是利用風(fēng)洞做類似研究的。

這次冬奧會(huì)在科技部重點(diǎn)專項(xiàng)和體育總局的支持下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)參與協(xié)助，建了兩個(gè)重要的風(fēng)洞。一個(gè)在河北淶源，它是全世界首個(gè)針對(duì)跳臺(tái)滑雪項(xiàng)目的專業(yè)風(fēng)洞;另一個(gè)在北京二七廠，它是空氣阻力研究和一些相關(guān)訓(xùn)練最基礎(chǔ)的平臺(tái)。

問：風(fēng)洞對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練和成績提高是不是具有很大幫助？

汪家道：對(duì)。比如滑冰和滑雪，運(yùn)動(dòng)員在空氣當(dāng)中受到的阻力，在風(fēng)洞里面可以測(cè)試，對(duì)于他們的生理生化指標(biāo)，也可以監(jiān)控。

冬季項(xiàng)目中，北歐兩項(xiàng)的成績由兩部分組成，越野滑雪和跳臺(tái)滑雪。跳臺(tái)滑雪是什么？簡單說，就是運(yùn)動(dòng)員從一個(gè)斜坡上滑下來，獲得初速度，利用慣性在空中飛行。跳臺(tái)滑雪的成績就取決于飛行的距離。跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員最關(guān)心兩個(gè)方面，一個(gè)是怎么利用空氣產(chǎn)生升力，飛得更遠(yuǎn);另一個(gè)是如何減小前進(jìn)過程的摩擦阻力，使空氣阻力變小。對(duì)于如何減小空氣阻力，利用風(fēng)洞正好可以做這樣的研究。所以，對(duì)跳臺(tái)滑雪這種在空中飛行的項(xiàng)目來說，風(fēng)洞是非常重要的。

運(yùn)動(dòng)員在前進(jìn)過程中會(huì)保持比較優(yōu)勢(shì)的姿態(tài)，這個(gè)姿態(tài)產(chǎn)生的空氣阻力比較小。而通過風(fēng)洞減阻測(cè)試，我們會(huì)提出優(yōu)化方案，運(yùn)動(dòng)員結(jié)合自己的能力，可以優(yōu)化自己的姿態(tài)。通過強(qiáng)化訓(xùn)練，他們可以明顯提高前進(jìn)速度。

同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)編隊(duì)減阻。以短道速滑為例，它是一群人在一起比賽，在這個(gè)過程中，運(yùn)動(dòng)員不能簡單考慮超、跟，因?yàn)樗幬恢貌煌枇Σ煌?，還需考慮阻力問題。比如前面兩個(gè)運(yùn)動(dòng)員并排的時(shí)候，后面的運(yùn)動(dòng)員阻力會(huì)小很多，接近30%。讓運(yùn)動(dòng)員了解不同位置編隊(duì)阻力的大小，通過編隊(duì)優(yōu)化，知道什么時(shí)候該卡位、什么時(shí)候該超速，對(duì)提高技戰(zhàn)術(shù)和臨場(chǎng)發(fā)揮大有裨益。

所以，對(duì)于運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練來說，通過風(fēng)洞減阻，我們可以提供最直接的幫助。

除了運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)、編隊(duì)等減阻之外，在裝備方面，我們利用風(fēng)洞，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的頭盔、服裝等減阻也做了相應(yīng)研究，目前來看效果非常好。比如頭盔，在氣動(dòng)外形之外，我們還設(shè)計(jì)了一些微結(jié)構(gòu)，這些微結(jié)構(gòu)對(duì)減阻十分重要。服裝方面，科技冬奧專項(xiàng)的負(fù)責(zé)人是北京服裝學(xué)院的劉莉教授，她在氣動(dòng)減阻部分的設(shè)計(jì)和相關(guān)理論，由我們團(tuán)隊(duì)承擔(dān)。通過表面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等，使比賽服裝的阻力大幅下降。

汪家道教授與學(xué)生進(jìn)行學(xué)術(shù)討論

冬奧會(huì)和其他大型體育賽事一樣，比拼的不僅是運(yùn)動(dòng)員的技戰(zhàn)能力，更是各個(gè)國家的科技水平。比如風(fēng)洞，它體現(xiàn)的是一個(gè)國家的實(shí)力。再比如裝備，由于科技水平的提高，運(yùn)動(dòng)員可以用上更好的裝備，在賽場(chǎng)上就能占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)。這也是“科技冬奧”的魅力所在。

問：風(fēng)洞是解決氣阻的一項(xiàng)重大研究，對(duì)于解決摩擦阻力，我們進(jìn)行了哪些研究？

汪家道：冬季項(xiàng)目有兩大類，一類是冰上運(yùn)動(dòng)，一類是雪上運(yùn)動(dòng)。由于介質(zhì)不一樣，來自地面的摩擦阻力不一樣，減阻的方式也不一樣。

冰上運(yùn)動(dòng)一般都借助冰鞋，冰鞋下面有一個(gè)冰刀，真正跟冰面接觸的就是冰刀。我們主要通過冰刀摩擦阻力的減小，為冰上運(yùn)動(dòng)“賦能”。由于冰上運(yùn)動(dòng)需要前進(jìn)，所以在減小冰刀摩擦阻力的同時(shí)，還得提高它前進(jìn)的動(dòng)力——這兩點(diǎn)，是冰刀需要解決的關(guān)鍵問題。

雪上運(yùn)動(dòng)則主要通過雪板。我們需要研究雪板和雪之間摩擦力的大小，提出減小雪板在雪面上摩擦阻力的方案。目前，國際上通用的是打蠟技術(shù)，但我們希望這次能提供新的技術(shù)。

問：在新裝備研發(fā)上，能否具體介紹一下，冰刀和雪板是怎樣減少阻力的？

汪家道：冰刀方面，我們提出了一個(gè)全新想法并付諸實(shí)踐，取得良好效果。冰刀跟冰面接觸，摩擦阻力取決于冰刀的形狀和材料。冰刀厚度一般也就一兩毫米，形狀上沒有太大的改進(jìn)余地。所以它最重要的變化體現(xiàn)在材料上，包括硬度、耐磨性、摩擦力等。

我們提出，讓冰刀兩邊增強(qiáng)。冰上運(yùn)動(dòng)對(duì)冰刀的要求有兩個(gè)，一個(gè)是滑行前進(jìn)方向摩擦阻力要小，另一個(gè)是蹬踏時(shí)前進(jìn)的動(dòng)力要大，這樣才能滑得遠(yuǎn)?？墒牵@兩點(diǎn)在很多情況下是矛盾的，怎么辦？

為了兼顧兩方面，我們把冰刀做成類似三明治的結(jié)構(gòu)，讓冰刀兩個(gè)側(cè)面硬度高，中間硬度稍低。這樣，冰刀在側(cè)滑過程中，冰刃比較鋒利，比較耐磨，從而提高了側(cè)向蹬踏力，減小了摩擦阻力。經(jīng)測(cè)算，蹬踏力可提高20%—30%，摩擦阻力可減小10%左右。

雪板方面，我們也做了有益的嘗試。目前雪板減阻普遍的辦法是在雪上打蠟，就是把蠟浸到雪板底膜上去滑行，減小摩擦力。非打蠟不可嗎？能不能不打蠟？我們提出了自潤滑方案。把雪蠟材料和底膜材料混合在一起，使底膜材料具有自潤滑的特性，這樣一來，滑動(dòng)過程不需要打蠟，就可以實(shí)現(xiàn)減速了。

特別是對(duì)于長距離的越野滑雪，這種方式非常有用。以往，30公里、50公里的越野滑雪，一般最少需要換1至2次雪板，因?yàn)橄灡荒]了。如果采用自潤滑方式，就不存在這個(gè)問題。目前，該方案還沒有最終定型，正在努力研發(fā)中，希望今年冬奧會(huì)能用上。

問：剛剛您提到的這些裝備是為專業(yè)運(yùn)動(dòng)員設(shè)計(jì)的，但是下一步會(huì)不會(huì)普及到市場(chǎng)上去，讓普通老百姓也能夠體驗(yàn)到這些高級(jí)裝備，從而帶動(dòng)三億人參與冰雪運(yùn)動(dòng)？

汪家道：也許每個(gè)人都希望，能像鳥一樣在空中飛行。事實(shí)上，風(fēng)洞完全可以向公眾開放，讓大家體驗(yàn)在空中飛行的感覺。

我們希望，對(duì)體育的研究最終能為大眾健康造福。通過對(duì)體育相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，為大眾健康和大眾參與運(yùn)動(dòng)提供一些可能。比如我們研發(fā)的冰刀，可以應(yīng)用到大眾體育中去，如果被廣泛應(yīng)用，使用者摔跤的概率會(huì)降低，因?yàn)樗€(wěn)定性更好。

問：這次形成的技術(shù)成果，目前已應(yīng)用于冰雪運(yùn)動(dòng)當(dāng)中。但是包括服裝、頭盔等，這些成果是不是也可以應(yīng)用到夏季運(yùn)動(dòng)中？或者，它還有哪些進(jìn)一步的應(yīng)用空間？

汪家道：做“科技冬奧”專項(xiàng)之前，我們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)參與了自行車空氣減阻的研究和賽艇水面減阻的研究。實(shí)際上，我們?yōu)椤翱萍级瑠W”專項(xiàng)研發(fā)的相關(guān)技術(shù)和平臺(tái)，完全可以應(yīng)用到夏季項(xiàng)目中。從技術(shù)角度來講，只要在空氣里運(yùn)動(dòng)，受到空氣阻力，我們就可以把現(xiàn)在的空氣減阻技術(shù)，移植到夏季項(xiàng)目中去。跑步也是同樣的道理。其實(shí)，我們已經(jīng)開始在做了。

科技的提高，不僅僅針對(duì)冬奧，它對(duì)整個(gè)體育和其他領(lǐng)域的推廣都是利好。我相信，科技的提高，一定會(huì)給大眾健康和更多人參與體育提供可能。