由全運會金牌取消談起——破風助跑：田徑場上的空氣動力學

在剛剛結束的第15屆全運會男子一萬米長跑決賽中，云南選手楊紹輝在已經被套圈的情況下，為隊友蔣發坤發動了一次“破風助跑”，之后蔣發坤第一個沖過終點奪冠。

然而，現場慶祝的喜悅還未散去，就有隊伍提出申訴。經裁判組仲裁之后，根據田徑規則——禁止被套圈的運動員為其他選手提供“速度幫助”，兩人的比賽成績被取消，金牌被山東選手獲得。

那么，這里所謂“破風助跑”究竟是什么呢？

很多人看長跑比賽時會疑惑：為什么運動員總愛扎堆跑？尤其是中長跑和自行車比賽，選手們常常緊緊跟在隊友或對手身后，很少有人愿意獨自領跑全程。這背后，正是“破風助跑”的戰術在發揮作用。

簡單來說，它就是在跑步、自行車、速滑和賽車這些運動中，一名運動員緊跟在另一名運動員身后，以此來減少自己體力消耗的一種常見戰術。

不光運動員會這樣，大雁南飛時也會這樣，它們會排成“人”字形，領頭的大雁最費力，后面的大雁利用前面同伴開辟的氣流飛起來就省力很多。

體育比賽中的“破風”也是類似的道理，隊伍中的運動員會輪流到前面領跑，以團隊互助的形式共同對抗風的阻力。

從物理上講，這背后的核心原理源于流體力學，具體一點即所謂“空氣動力學效應”（aerodynamics effect）。

根據流體力學，空氣阻力與速度的平方成正比，其公式為

其中 是空氣密度， 是運動物體相對空氣的速度， 是阻力系數， 是運動物體的迎風面積。

所以，當人體快速運動時，需要用力推開前面的空氣，就像在水中跑步會感覺更費力一樣。

而當前面的運動員已經推開空氣時，他會拖拽空氣往前運動，這樣就他身后會形成一個風速較慢、空氣壓力較小的區域，即所謂“尾流區”。

后方運動員進入這個區域后，其身體相對空氣的速度較靜止空氣中更低，從而減小了阻力，這就是所謂的“蹭風減阻”（drag reduction for drafting）。

研究表明，在自行車比賽中，緊跟在前車身后的運動員，其體力消耗最多可以節省約30%。這意味著，在比賽的關鍵時刻，節省下來的體力可以用于決定勝負的沖刺。

當然，破風的效果并不是固定的，它會受到幾個關鍵因素的影響。

其中最重要的一點就是距離，后車跟得越近，減阻效果通常越好，有研究認為在自行車項目中，保持0.3米到0.4米的距離是比較理想的。但如果靠得太近，反而會干擾前方氣流的穩定。

其次，隊伍的人數也很重要，人數越多的隊伍能形成一個更強大、更穩定的“氣流保護區”，處于隊伍最末尾的運動員感受到的阻力是最小的。

此外，運動員自身的姿勢也會影響效果，一個更蜷縮、更流線型的姿勢能進一步減少迎風面積，從而減小阻力。

為了準確地了解破風到底能節省多少體力，科學家們主要采用幾種研究方法。

最傳統，也最可靠的方法是“風洞實驗”，就像把運動員或他們的模型放在一個巨大的、能人工制造風的管道里，用精密的儀器直接測量他們受到的風力大小，結果很準，但成本很高。

另一種常用的方法，就是常常被記作CFD的所謂“計算流體力學”模擬，它是通過在電腦里建立運動員的虛擬模型，用復雜的數學公式來模擬空氣如何流過運動物體或人體，這種方法可以很直觀地看到氣流的走向，成本也相對低一些。

隨著技術進步，研究人員開始在真實運動場景中利用可穿戴傳感器等設備收集數據。例如，通過安裝在運動員身上的慣性測量單元（IMU）來監測運動學和地面反作用力等生物力學參數。

綜合所有這些研究方法，我們現在對不同運動的破風效果有了一些大致的了解。

除了前面提到的自行車項目能有高達30%的體力節省外，在大型的自行車主車群中，被包圍在中間的車手甚至能減少高達95%的空氣阻力。

在長跑項目中，研究也表明，跟在一名領跑者身后最優可以獲得超過60%的減阻效果。

在游泳項目中，緊跟在前方選手身后也能顯著減少水的阻力，減阻率達到40%。

甚至在競走中，根據Zhang等人的研究，在最優化的多人配速員隊形的情況下，CFD模擬預測了高達85%的減阻率，并通過風洞實驗進行了驗證。

總之，破風助跑是一種深植于流體力學原理的有效競技戰術，本身并無對錯。但是，它必須在規則允許的范圍內使用，否則將會破壞比賽的公平性。

來源：物含妙理

編輯：小赫Amyyy

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