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破風 減水阻 增彈力 運動科技 成就狂野秒速!

2021.10.06
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今期熱話

今年奧運會,我們一起見證香港運動員的拼搏精神,亦為港隊屢創佳績而興奮。其中,「牛下女車神」李慧詩在個人爭先賽勇奪銅牌,成為首位在兩屆奧運會奪牌的香港運動員(早前於全運會亦奪得一金一銅);「香港女飛魚」何詩蓓以破亞洲紀錄時間連奪200米及100米自由泳銀牌(及後於國際游泳聯賽奪3冠1亞)。

這些講求速度的項目,運動員的天分固然十分重要,但走上世界舞台,大家實力旗鼓相當,而這時運動科技能令運動員的表現更進一步。究竟是怎樣做到呢?就讓我們一探箇中原理。



破風單車衣 抗風阻

我們知道場地單車和我們平日在戶外用的單車有頗大不同,場地單車講求輕巧快捷,務求令車手容易控制加速及轉向;而在室內環境,空氣流動亦會為車手表現帶來變數,因此單車亦要有如流綫形等設計來減低風阻,當然,比賽時適當戰術亦有助節省運動員的體力。然而,除此之外,你們知道車手的「戰衣」也能有效提升運動員整體表現嗎?

秘密武器 科研成果

若果大家有留意今屆奧運李慧詩的比賽,定必會看到其一身綠色裝束。不要以為只是顏色上的改變,其實這運用高科技製造的「破風戰衣」正是牛下女車神衝擊獎牌的秘密武器,由香港科技大學及香港體育學院聯手合作得出的成果。自2019年開展「A. Kwok運動空氣動力科研計畫」以來,科大的張欣教授團隊及體院的蘇志雄博士團隊共同在科大的風洞實驗室進行一連串的單車空氣動力學測試。

減低風阻 減省體力

上面提到一輛好的單車能夠減低風阻,但要真正預計到空氣流動,就應同時考慮車手身形、騎姿,以及一系列的戰術動作。因此,團隊亦邀請李慧詩到風洞實驗室進行測試。實驗室內模擬比賽空氣狀況,例如溫度、風向、風速等,再實時收集李慧詩的騎車數據,包括姿勢、能量消耗及所承受的空氣阻力等。

有了這些數據資料,團隊就能利用混合物料,配合特別縫製技術,度身訂造各種能減低風阻的單車服。除了降低風阻,特殊物料亦能做到貼身及散熱的效果,因為研究發現,當運動員體溫上升時,其動作會減慢;而盡量減少縫綫亦可減輕重量,令車手進行變速或轉向時會更順暢。當然,單車手亦會穿上不同設計再進行測試,有時亦能根據數據調整自己動作,從而更能減省體力。

根據國際單車聯會認證,這件新「破風戰衣」比以往的單車衣節省達2.5%的功率,亦即理論上假若單車手以相同功率騎車,將可突破更高速度。

圖一


李慧詩在香港科技大學風洞實驗室進行空氣動力學測試。為了減少阻礙運動員練習,科研團隊亦通過3D掃描器建造了一個相同大小的人體模型,可模擬車手動作,便能進行更多測試。

補充資料

風洞測試

上文提到風洞測試常用以收集空氣動力和流動的數據。究竟甚麼是風洞測試呢?

試想像要測試一個會動的物件,如車、飛機等,便需要很大的地方才能進行測試,影響效率。於是人們就想到,既然是要了解物件與空氣之間的互動,為甚麼不倒轉過來,固定要測試的物件,並使空氣流動呢?計算上,兩個情況是相等的。

密閉空間觀空氣流動

於是人們便建造一個密閉的空間,再通過大型風扇把風吹向物件,該物件可以是如機翼的部件,也可以是小型模型,更可以是一比一相同大小的設計;然後,室內氣體會加入煙霧或染料,或是一些特別的氣泡,從而在風洞測試時容易觀察到空氣的流動。

據說,萊特兄弟在發明飛機時亦有利用風洞實驗,測試其飛行器是否真的能夠飛起來。此後風洞測試不止用於研究行駛的物件,科學家亦進而研究空氣本身,例如空氣在建築物間如何流動。今時今日,隨着電腦普及化,人們開始建立電腦模型,模擬空氣在物體之間的流動。當然,如單車比賽等涉及運動員的細微動作,還是在一個實在的風洞實驗室進行實驗才會收集到更準確的數據。

圖二


鯊魚衣之後 減水阻

介紹充滿科技的運動衣,怎能不提富爭議性的泳衣呢?當年的「鯊魚衣」曾哄動一時,多名泳手紛紛選用,一些運動員甚至承認穿上鯊魚裝後表現脫胎換骨,就像「作弊」一樣。這個爭議雖然於2010年在國際游泳總會下令禁止選用後得以結束,但泳衣科技卻沒有因此而停步,當中的「抗水阻」仍然是泳衣研發的重中之重。

物料設計 減少摩擦

就以2019年日本Mizuno公司推出新一代泳衣「GX Sonic IV」為例,設計突破泳衣極限,並如單車衣一般,在減輕重量、選料及整體設計上都運用不同科技——由彈性纖維及尼龍材質編織成的平織布泳衣,重量低於200克,同時亦能在緊貼皮膚之餘不會產生壓迫感,令泳手穿上時感覺格外舒適。此外,泳衣大部分地方不用縫綫,而是用超音波貼合技術,進一步減輕衣服重量。

至於降低水阻方面,除了利用提及的特殊物料外,泳衣表面上一些有凹凸紋路的縱向溝,能減少摩擦約2.6%,這對「入水」的一刻分外有用。而要最大化轉換泳手踢水的功率,只有在泳衣大腿處使用縫綫,加上交叉狀剪接的支撐綫,就足夠支援選手大力的上下踢水。

可以預期,未來的游泳比賽,鬥的除了是運動員的體能及技術,背後的科研團隊也必會互相較量一番。

圖三


跑到田徑場 高彈力

類似「鯊魚衣」的爭議不止在游泳池上出現,跑步場上也如是。或許不少人都聽過在2019年一場馬拉松上,肯亞選手Eliud Kipchoge穿着Nike Vaporfly長跑鞋,成為第一位能夠在兩小時內完成全馬的選手。這款鞋的特色在於其重量極輕,以及鞋底的碳纖維板、緩衝泡棉及超厚鞋跟所能提供的高彈性、高回彈力和推進力,這些特質都對長跑手的表現大有幫助。

超級跑鞋 跑出紀錄

然而,世界田徑總會其後只是禁止了Eliud Kipchoge所穿的該款跑鞋,並額外加上一些設計標準,但就沒有如鯊魚衣般禁止所有其他類似設計及發展。而Nike及後亦推出了Air Zoom Maxfly跑鞋,當然其他公司亦有研發多款「超級跑鞋」,令今年奧運田徑場上不少短跑項目都出現破紀錄的畫面。



更重要的是,由於不少運動員都與這些運動公司簽了合約,不能穿着其他牌子的跑鞋參賽,若果因此緣故而輸給穿了更強跑鞋的選手,相信有關這些比賽的爭議亦會隨之接踵而來。

圖四


補充資料

即使不用超級裝備……

有些人認為,只要禁止使用所有超級裝備,就能讓選手之間真正做到公平較量,比試實力。理論上是對的,但是一些大型盛事如奧運,人們總想看到破紀錄的一刻誕生,主辦單位又如何增加比賽可賞性呢?又或是如何提升運動員整體表現呢?

場地設計 善用材質

沒錯,就是從比賽場地及設備着手。以泳池設計為例,由於泳手游泳時的水波會減慢選手速度,因此泳池的設計便要最小化這些水波,如在池邊和池底有換水裝置,而池邊為了防止水波反彈,刻意打造能夠吸收水波的設計,盡量令水面更平整,泳手速度受到最小影響。

來到田徑場,除了超級跑鞋仍未被全面禁止外,跑道設計其實亦花盡心思。以東京奧運賽場為例,其採用的MONDOTRACK WS材質,利用特殊橡膠製造立體顆粒結構,務求令跑手踩下去的力能最大地回彈,產生推進力。或許有人認為改造場地不會造成同場對手之間的不公平,然而及後卻發現不少運動員都對新賽場不適應,甚至因為太強彈力而更容易弄傷肌肉。因此,比賽場地的設計是否需要訂立一系列準則,確實值得探討。

圖五


科技固然令選手表現大為提升,但運動員比賽背後的努力亦不應因而遭到漠視。尤其是看到殘奧選手的比賽,身體雖有缺陷,但他們不但沒有放棄自己,還更刻苦地為自己的運動理想而努力,即使有沒有科技協助,運動員的表現是很值得我們的尊重和肯定。

載自2021年10月6日《S-file STEM/理科》

文:劉心 圖:星島圖片庫、網上圖片
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