多国科学家联合开展残奥会自行车空气动力学研究

时间:2019/4/14 13:06:09 作者:陈波 来源:paralympics.ie 点击:439次

空气动力学科学方面的研究提出一些新想法,改变以往人们认为选手如何训练才能登上残奥会和世锦赛领奖台的看法。目前人们对残疾人自行车项目的重视不断上升,但对残奥会自行车项目的空气动力学研究却相当有限。 因此, 来自爱尔兰国立大学 (爱尔兰)、埃因霍芬理工大学 (荷兰) 和鲁文大学(比利时)的研究人员使用了一些先进的技术以更好地理解和提高复杂空气动力学在残奥会自行车的串联双座自行车和手轮车项目中的作用,使用的技术诸如使用ANSYS和风洞设备进行工程仿真(计算流体动力学(CFD)),这项技术通常是用于航空航天、核或汽车研究。

研究表明, 仅仅通过反直觉骑车姿势和改变车体中车轮位置就可以明显改变比赛结果,这种改变可能在明年的残奥会中就会有所体现。

2019年4月3日, 四届残疾人自行车项目世界冠军及现残奥会冠军爱尔兰国立大学克莱福德(CLEFFORDEoghan)博士,与埃因霍芬理工大学 (TU/e) 和鲁文大学的布洛肯(BLOCKEN Bert )教授强强合作,布洛肯教授因其对空气动力学在自行车精英赛方面的专业研究而闻名于世。目前对残疾人自行车方面的研究非常稀缺,许多基础理论还处于真空状态,两位教授对此现状倍感诧异,遂决定合作建立首个大型的开放科学研究项目,研究残奥自行车运动。与他们合作的还有来自爱尔兰国立大学的女博士哈伊杜克维茨基(HAJDUKIEWICZMagdalena)、埃因霍芬理工大学的托帕勒(TOPARLAR Yasin)、比利时列日大学的安德里安内(ADRIANNEThomas)博士和曼尼恩(MANNION Paul)博士(因其在这一项目上的出色表现而被爱尔兰国立大学和埃因霍芬理工大学共同授予博士学位)。 该项目将计算机模拟 (CFD)与爱尔兰和荷兰超级计算机上的 ANSYS 软件相结合,并在埃因霍芬理工大学和比利时列日大学的风洞中进行了风洞测试。

研究的重点是串联双座自行车和 H1-h4 手轮车项目。 这次调查得出了四项新的关键性发现。如果将这些发现应用于比赛能显著的减少选手完成比赛的时间。 最近2016年里约残奥会比赛中,冠军亚军选手与没能登上领奖台选手之间的差距一般在一秒到几秒之间:

·串联双人自行车项目: 男子-4 公里追逐赛 (里约韦洛德罗姆奥林匹克自行车馆) –冠亚军差距:1.6秒;三四名差距0.9秒。

·串联双座自行车项目: 男子30公里计时赛 (里约街道) –冠亚军差距:8.8秒。

·串联双座自行车项目: 女子–3公里串联双人自行车追逐赛 (里约奥林匹克自行车馆) –冠亚军差距:3.5秒。 在资格赛中,0.8秒就是第三名与第五名之间的差距 (第三和第四随后继续比赛,角逐铜牌归属)。

·串联双座自行车项目: 女子30公里计时赛 (里约街道) –亚军季军差距0.8秒。

·手轮车: 男子20公里计时赛 (里约街道) –在某些情况下, 冠军和亚军的差距只有2秒到10秒,某一单项中,亚军和季军的差距更是只有0.9秒。

该研究得出了四个关键的新发现与残疾自行车手和他们身边的陪同训练的人员的一般常识截然相反,如果在竞赛中应用这些新发现,就可以显著的提高选手的比赛成绩:

一般的计时赛中,前座选手和后座选手都握着车把,这样的设计在空气动力学中并不能将阻力减至最小。如果后座选手握住双座自行车的坐杆(抓车架),完成10公里比赛中就能减少8.1秒。按照空气动力学,双座自行车运动员的最佳坐姿并不是前座和后座选手身体最接近水平。 如果前座选手身体稍显直立, 完成10公里以上,时间可以缩短6. 5秒。

H1-h4手轮车项目中,最符合空气动力学车轮结构是将两个辐条轮放在车尾处,而不是将碟轮放在车尾,尽管人们普遍相信碟轮在后更容易出成绩。这是因为碟轮会引导这些车轮之间的气流,进而在骑手身体上产生额外的吸力 (阻力)。 选手使用碟轮在前,两个辐条轮在后的手轮车,可以在10公里的时间里节省 1 6 秒。手轮车下坡赛, 骑手往往会采取所谓的6点式坐姿, 即骑手双手放在最低位置, 手臂紧贴着身体。而将双手尽量向前的9点式坐姿却能减少4.3% 空气阻力, 骑行500米就能减少0.8秒。

四届残疾人自行车项目世界冠军和现任残奥会冠军克利福德教授证实了这些发现,而后与研究小组和表现教练一起对运动员进行了测试,并利用这些发现引导这些运动员提高自身成绩。

爱尔兰国立大学工程与信息学院的 克利福德(CLIFFORD Eoghan)博士说:“这是我参与过的最令人兴奋和最具挑战性的项目之一。在体育研究中应用广泛的实验和计算建模,不仅对于残奥自行车运动,甚至大多数运动项目来说都是前所未有的。这项工作将从根本上影响残奥自行车运动, 并将引起各队和工程师深思,重新思考他们进行空气动力学研究的方法。这项工作也为世界级的残奥运动员提供了一个绝好的机会,他们将能得到与其他职业运动员相同的专业知识和装备。在世锦赛和残奥会上,零点几秒的时间差距就可以决定奖牌的归属, 这项工作解决的恰恰就是时间的问题。”

埃因霍芬理工大学和鲁文大学的布洛肯(BLOCKEN Bert)教授说: “我对空气动力学在体育运动中研究充满激情,因为它真正拓展了计算机模拟和风洞测试研究的界限。 在大多数关于空气动力学研究中, 5-10% 的精度也许就足够的。 然而,在体育运动中进行空气动力学研究时, 万分之几的差距可能就是决定性的。我们此次首次对残疾人自行车项目进行的广泛公开研究项目提供了一些新的思路, 如何在比赛中提高成绩,”

ANSYS 体育与医疗保健公司全球行业总监马沙尔(MARCHAL Thierry)结论道: “作为工程仿真领域的龙头,ANSYS 非常希望通过将以往只用于航空航天和汽车行业的技术应用于体育行业,进而提高运动的安全性并改善选手的表现。精英体育是一个理想的窗口, 证明了在所有行业中模拟仿真都可以发挥作用。”

爱尔兰残奥会首席执行官马龙(MALONE Miriam)补充说: “我想祝贺研究小组出版了这项精彩的研究。研究结果将从根本上改变许多残疾自行车选手进行他们从事项目时的训练方法,随着他们表现的提高,必然能够创造出更好的比赛成绩。特别令人高兴的是,这项研究是由爱尔兰残奥会董事会成员和残奥会冠军克利福德(CLIFFORD Eoghan)博士正在领导进行的。”

爱尔兰自行车运动国家队表现教练德拉哈耶(DELAHAYE Neill )补充说: “近年来,爱尔兰自行车运动在赛道和公路国际赛中都取得了辉煌的成功。 为了与世界顶级国家竞争, 我们积极参与研究和创新。 从一开始,我们就认识到这项工作可能会对我们的运动员产生重大的好处,特别是考虑到空气动力学在自行车运动中发挥着如此关键的作用。”