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中国场地自行车走入东京奥运赛场的故事

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编者按：在东京奥运会场地自行车女子团体争先赛决赛中，中国组合鲍珊菊、钟天使以31.895秒的成绩为中国代表团夺下了第28枚金牌，更在小组赛中以31.804秒刷新了世界纪录！本期我们邀请到机械系翁鼎老师为我们讲述中国场地自行车的东奥故事，介绍东京奥运赛场背后的清华力量。

北京时间2021年8月2日，东京奥运会场地自行车女子团体争先赛决赛中，中国组合钟天使、鲍珊菊以31.895秒的成绩为中国代表团夺下了第28枚金牌。钟天使个人也实现了奥运会该项目的二连冠。

自行车是一项历史悠久同时科技含量极高的运动，空气动力学的优化成为了各国运动员提升成绩的必要手段。清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室表界面团队有幸全程参与了东京奥运周期自行车队的备战及科技助力行动。从2008年北京奥运周期起，机械系表界面团队就在汪家道教授的带领下，在场地自行车运动空气动力学优化应用方面开展了持续、深入的研究工作。

竞速类项目的本质是动力与阻力的对抗，追求更高的行进速度和更短的完赛时间。动力项可分为势能做功和运动员做功两大类，前者是例如钢架雪车、高山滑雪等主要利用地势获得速度的项目，而后者的典型就是自行车、赛艇类运动。

在自行车项目中，阻力项主要为空气阻力、机械传动部分的摩擦阻力，以及轮胎与地面的摩擦阻力。其中，空气阻力占据了主要部分，而通过运动员姿态、器材优化等手段可以实现较高的减阻效果。清华大学摩擦学国家重点实验室与中国国家场地自行车队紧密合作，通过3D扫描与打印、空气动力学仿真、风洞实验、减阻机理运用等手段，全面应对了自行车场地赛新挑战。

针对钟天使、鲍珊菊、徐超等现役场地自行车运动员，清华大学摩擦学国家重点实验室联合精唯信诚、非凡律动等一批3D扫描、智能制造企业，对运动员身体、头盔、车辆进行了数字建模。随后，团队利用计算流体力学仿真，确定了压差阻力是运动员所受的主要空气阻力，以及压差阻力产生的主要部位，建立了描述运动员姿态的坐标体系进而量化了运动员的姿态描述。通过与北京交通大学风洞实验室、二七基地体育综合风洞等团队的合作，进行了大量的风洞实验，针对头、背、手臂等姿态角对气动阻力的影响规律开展了系统化研究，最终确定了在不影响运动员做功前提下的最优气动姿态。

针对多人项目，例如钟天使、鲍珊菊取得金牌的团体争先赛，以及与对手一起出发竞争的争先赛等，编队和超越的技战术对空气阻力的影响是非常显著的。清华大学摩擦学国家重点实验室通过仿真和风洞试验，针对双车间距、偏距对运动员所受空气阻力的影响规律，以及不同运动员配组的可能性进行了细致的研究。这些实验研究为场地自行车教练团队制定技战术、开展科学训练提供了数据支撑。

在服装方面，由于通过姿态优化研究确定了气动压差阻力为运动员所受主要气动阻力以及压差阻力的产生部位，便可以在服装上进行减阻设计。服装表面微结构能够促进垂直流速面上的动量交换，从而对运动员身体近壁面流场的转捩进行调控、延迟流动分离，从而降低压差阻力。

清华大学摩擦学国家重点实验室提出了减阻微结构的设计及应用方案，与上海体育科学研究所、东华大学合作，制备了减阻比赛服。在二七基地体育综合风洞，针对国家队可选服装库、头盔库，通过3D打印等比运动员身体模型进行了风洞测评，确定了最终国家队出征东京奥运会的服装和头盔。

在车辆方面，国家场地自行车队一直使用的是进口的LOOK赛车。自行车运动非常强调人车合一，除了操控技术，更要求空气动力学上的整体优化。然而运动员的体型各异、技术特点各不相同，进口车辆往往只有车架大小的不同，很难与不同运动员实现较好的适配和气动优化。

清华大学摩擦学国家重点实验室与国内碳纤维自行车生产企业——山东瑞豹开展了深度合作，针对性分析了国际顶级队伍所用赛车的气动特点，以及顶级选手中的窄车把趋势带来的影响。由清华大学团队主导设计空气动力学外形、山东瑞豹主持生产，成功开发了我国自主知识产权的新式场地赛车。经过风洞人体模型静态、运动员动态测试，国产赛车的风阻水平已经全面优于2016年里约奥运会国家队使用的LOOK R96赛车。

在当今国际形势下，体育比赛是综合国力的较量，是没有硝烟的战场。我作为清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室表界面团队的一员，通过科技助力体育，看到科研成果解决了运动员竞技中的“真问题”，心中充满了无比的自豪感，也深深体会到了体育科技背后的通用技术所代表的意义。

科技助力体育是产学研深度融合的复杂工程。科研团队、工业生产、教练员运动员等多方面齐心协力，才能够在短时间内取得飞跃式的进步。而空气动力学减阻具有典型的两用特征：在比拼运动员成绩的同时，也展现了各国对空气动力学应用水平的掌握、基础设施的完善程度，以及工业实力的高下。在诸多领域，我国起步较晚，虽然加速直追，但是在当下仍然落后于国际领先水平，尤其是在仿真软件、精密测量设备等基础研发条件方面严重依赖国外技术，仍存在“卡脖子”问题。幸运的是，在党中央领导下，通过产业结构调整和重点技术攻关，我国高端制造领域如场地自行车所用的碳纤维材料、成型技术在民用领域已经能够与国际一流民品比肩，我国从工业大国到工业强国的转型已初见成效。

不忘初心、矢志不渝，我坚信在下一届巴黎奥运周期中，中国场地自行车队能够实现进口竞技装备的全面国产化替代，让我国体育健儿不输在起跑线之前！

作者简介

翁鼎

翁鼎，男，助理研究员。1984年生于安徽，2006年毕业于清华大学基础科学班（数学物理方向），2012年取得加利福尼亚大学洛杉矶分校化学工程博士，毕业后进入哈佛医学院开展博士后工作，2016年底回国加入清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室表界面团队。主要从事流固界面减阻机理及应用技术、医工结合领域等研究，承担和负责的项目包括气动减阻、水下界面诱导微控泡减阻、流固界面调控、表面微结构制备技术、咽拭子自动采样机器人等，入职以来发表论文35篇，他引1200余次，授权发明专利8项，荣获天津市青年人才、清华大学优秀班主任等奖励。

供稿 | 翁 鼎

约稿 | 魏奕萌