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风洞3D建模:高山滑雪速降的“科技范儿”

来源: 科技日报
2022-01-04 08:59 
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点烟,风起,在重庆大学结构实验室风洞里,在高山滑雪赛道模型前,可以清晰地看到烟雾随着风混乱地飘着,这就是雪场风环境的研究现场。这对运动员比赛有什么用?在冬奥会即将到来之际,科技日报记者走进重庆大学,探秘高山滑雪项目背后的“科技范儿”。

高山滑雪项目是雪场上速度最快、危险性最高的项目之一,被誉为“冬奥会皇冠上的明珠”。它起源于欧洲的阿尔卑斯地区,也叫阿尔卑斯滑雪,是在越野滑雪基础上逐步形成的,1936年起被列为冬奥会比赛项目。在这项比赛中,运动员利用势能从山顶滑行到山下的终点,用时少的则为优胜者。

在即将开展的北京冬奥会中,就有高山滑雪滑降的比赛项目。但由于我国的气候、滑雪器材以及场地的原因,这项运动在我国兴起的比较晚,发展的速度也不快。重庆大学参与的“科技冬奥”专项课题针对雪场风环境研究,为我国运动员和教练员提供决策依据和支持。

重庆大学“科技冬奥”团队成员、土木工程学院闫渤文副教授等通过实地勘测和3D建模,建立了实用、高效、精确的高山滑雪运动员速降模型。

“我们团队前前后后四次前往冬奥会场地进行考察,通过对延庆赛区国家高山滑雪中心赛道进行合理性的简化,建立了真实的赛道模型,并融入之前建立的直道+弯道高山滑降运动模型。”重庆大学“科技冬奥”团队成员李珂介绍,同时结合对赛道风场的数值模拟结果和有限的实测数据,考虑赛场上不同方向环境风的影响,建立起高山滑雪滑降的环境模型,打造出了更全面、更有效的高山滑雪速降模型。

重庆大学风洞实验室以前都是针对建筑、桥梁等固定大体量的建筑物进行试验,针对运动员做试验还是第一次。

据了解,影响运动员滑行的因素包括运动员体型、技战术以及赛道条件、雪况、风速以及滑雪装备的特性等,运动员在滑行过程中受到重力、空气升力和阻力、地面支撑力和摩阻力以及骨骼肌肉力等的作用,其中空气阻力与运动员的姿势有很大的关系。从监测数据来看,赛场风速能达到每秒20—30米以上,所以赛场环境风速的方向也会对运动员滑行产生很大的影响。

“我们的第一部分工作就是研究风环境,其中70%左右的内容是通过计算机来完成。先通过计算机模拟整个地球的风环境,再模拟特定区域的风环境,为后续研究收集数据。”李珂介绍。

此外,研究从风到力的关系是必要的。“知道力才能了解运动,而想知道力,就得进行数学建模。我们需要建立运动员的滑降模型,研究当运动员采用不同姿势时,他受到的力是怎样的,风荷载的情况是怎样的。”李珂介绍,这项研究将辅助教练员为每个运动员制定战术和装备与体能综合的个性化科学训练方案,提高比赛成绩。“他们衷心地希望国家队队员们能在比赛中取得好成绩!”

【责任编辑:张天磊】
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