由全运会金牌取消谈起——破风助跑：田径场上的空气动力学

在刚刚结束的第15届全运会男子一万米长跑决赛中，云南选手杨绍辉在已经被套圈的情况下，为队友蒋发坤发动了一次“破风助跑”，之后蒋发坤第一个冲过终点夺冠。

然而，现场庆祝的喜悦还未散去，就有队伍提出申诉。经裁判组仲裁之后，根据田径规则——禁止被套圈的运动员为其他选手提供“速度帮助”，两人的比赛成绩被取消，金牌被山东选手获得。

那么，这里所谓“破风助跑”究竟是什么呢？

很多人看长跑比赛时会疑惑：为什么运动员总爱扎堆跑？尤其是中长跑和自行车比赛，选手们常常紧紧跟在队友或对手身后，很少有人愿意独自领跑全程。这背后，正是“破风助跑”的战术在发挥作用。

简单来说，它就是在跑步、自行车、速滑和赛车这些运动中，一名运动员紧跟在另一名运动员身后，以此来减少自己体力消耗的一种常见战术。

不光运动员会这样，大雁南飞时也会这样，它们会排成“人”字形，领头的大雁最费力，后面的大雁利用前面同伴开辟的气流飞起来就省力很多。

体育比赛中的“破风”也是类似的道理，队伍中的运动员会轮流到前面领跑，以团队互助的形式共同对抗风的阻力。

从物理上讲，这背后的核心原理源于流体力学，具体一点即所谓“空气动力学效应”（aerodynamics effect）。

根据流体力学，空气阻力与速度的平方成正比，其公式为

其中 是空气密度， 是运动物体相对空气的速度， 是阻力系数， 是运动物体的迎风面积。

所以，当人体快速运动时，需要用力推开前面的空气，就像在水中跑步会感觉更费力一样。

而当前面的运动员已经推开空气时，他会拖拽空气往前运动，这样就他身后会形成一个风速较慢、空气压力较小的区域，即所谓“尾流区”。

后方运动员进入这个区域后，其身体相对空气的速度较静止空气中更低，从而减小了阻力，这就是所谓的“蹭风减阻”（drag reduction for drafting）。

研究表明，在自行车比赛中，紧跟在前车身后的运动员，其体力消耗最多可以节省约30%。这意味着，在比赛的关键时刻，节省下来的体力可以用于决定胜负的冲刺。

当然，破风的效果并不是固定的，它会受到几个关键因素的影响。

其中最重要的一点就是距离，后车跟得越近，减阻效果通常越好，有研究认为在自行车项目中，保持0.3米到0.4米的距离是比较理想的。但如果靠得太近，反而会干扰前方气流的稳定。

其次，队伍的人数也很重要，人数越多的队伍能形成一个更强大、更稳定的“气流保护区”，处于队伍最末尾的运动员感受到的阻力是最小的。

此外，运动员自身的姿势也会影响效果，一个更蜷缩、更流线型的姿势能进一步减少迎风面积，从而减小阻力。

为了准确地了解破风到底能节省多少体力，科学家们主要采用几种研究方法。

最传统，也最可靠的方法是“风洞实验”，就像把运动员或他们的模型放在一个巨大的、能人工制造风的管道里，用精密的仪器直接测量他们受到的风力大小，结果很准，但成本很高。

另一种常用的方法，就是常常被记作CFD的所谓“计算流体力学”模拟，它是通过在电脑里建立运动员的虚拟模型，用复杂的数学公式来模拟空气如何流过运动物体或人体，这种方法可以很直观地看到气流的走向，成本也相对低一些。

随着技术进步，研究人员开始在真实运动场景中利用可穿戴传感器等设备收集数据。例如，通过安装在运动员身上的惯性测量单元（IMU）来监测运动学和地面反作用力等生物力学参数。

综合所有这些研究方法，我们现在对不同运动的破风效果有了一些大致的了解。

除了前面提到的自行车项目能有高达30%的体力节省外，在大型的自行车主车群中，被包围在中间的车手甚至能减少高达95%的空气阻力。

在长跑项目中，研究也表明，跟在一名领跑者身后最优可以获得超过60%的减阻效果。

在游泳项目中，紧跟在前方选手身后也能显著减少水的阻力，减阻率达到40%。

甚至在竞走中，根据Zhang等人的研究，在最优化的多人配速员队形的情况下，CFD模拟预测了高达85%的减阻率，并通过风洞实验进行了验证。

总之，破风助跑是一种深植于流体力学原理的有效竞技战术，本身并无对错。但是，它必须在规则允许的范围内使用，否则将会破坏比赛的公平性。

来源：物含妙理

编辑：小赫Amyyy

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