2月11日，我國(guó)運(yùn)動(dòng)員閆文港獲得北京冬奧男子鋼架雪車項(xiàng)目銅牌，這是中國(guó)運(yùn)動(dòng)員首次在該項(xiàng)目上登上領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)。他的同伴殷正則創(chuàng)下賽道出發(fā)紀(jì)錄，均創(chuàng)造了歷史。鋼架雪車、雪車、雪橇，都是在一條賽道上的競(jìng)速項(xiàng)目，相信很多人不僅分不清楚它們的區(qū)別，更看不出里面的門道，這篇文章就來(lái)簡(jiǎn)要介紹一下這些“雪橇”項(xiàng)目以及它們背后蘊(yùn)含的科學(xué)。

撰文 | 下雪

2022年北京冬奧會(huì)接近尾聲，作為一名普通的中國(guó)觀眾，必然最為關(guān)注我們的奪金項(xiàng)目，比如短道速滑、自由式滑雪等，其他項(xiàng)目則總是抱著看看熱鬧的心態(tài)。而在所有冬奧項(xiàng)目中，或許最令我們“不明覺厲”的項(xiàng)目是雪車、鋼架雪車以及雪橇這三個(gè)競(jìng)速項(xiàng)目——或躺或趴或坐，轉(zhuǎn)了幾圈就結(jié)束了比賽，勝負(fù)只差毫厘，著實(shí)讓人摸不著頭腦。

不過(guò)，這也是這幾項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的最大特點(diǎn)。雪車，號(hào)稱冰上F1；鋼架雪車，被譽(yù)為冰上俯沖機(jī)；迅如疾風(fēng)，勢(shì)如閃電，其實(shí)它們是真正的硬核競(jìng)技運(yùn)動(dòng)，處處體現(xiàn)著體育與科技的魅力。

閆文港在比賽中丨圖片來(lái)源：IC photo

雪橇、雪車和鋼架雪車的區(qū)別與場(chǎng)地

雪橇、雪車和鋼架雪車，造型雖然各不相同，但從器材上看，其實(shí)它們都是雪橇（sled，sleigh）。作為一名普通觀眾，區(qū)分這三項(xiàng)運(yùn)動(dòng)并不困難，最簡(jiǎn)單的方式是看運(yùn)動(dòng)員的身體形態(tài)。

雪橇（Luge），也稱無(wú)舵雪橇，運(yùn)動(dòng)員以腳在前，平躺在雪橇上的方式比賽。比賽開始時(shí)，運(yùn)動(dòng)員坐在雪橇上，雙臂用力向后推冰面以獲得初速度。雪橇是人類古老的運(yùn)輸和出行方式，據(jù)記載15世紀(jì)就有了雪橇比賽。Luge本是法語(yǔ)中小型雪橇的意思?，F(xiàn)代的無(wú)舵雪橇在1964年因斯布魯克冬奧會(huì)上成為正式項(xiàng)目。

2022北京冬奧雪橇男子雙人自由性別比賽丨圖片來(lái)源：Daniel Mihailescu/AFP

雪車（Bobsleigh），顧名思義，運(yùn)動(dòng)員坐在車內(nèi)“開”車比賽。雪車是歷史最悠久的冬奧項(xiàng)目，自首屆1924年霞慕尼冬奧會(huì)存在至今（只有1960年司闊谷冬奧會(huì)缺席）。在1877年，瑞士人發(fā)明了可以擺動(dòng)（Bob）轉(zhuǎn)向的雪橇，后逐漸發(fā)展出比賽，所以它也被稱為有舵雪橇。該項(xiàng)目通常是團(tuán)隊(duì)比拼——兩人或四人項(xiàng)目，坐在第一位的舵手可拉動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置控制方向；后座最后一人是剎車手，可控制車內(nèi)推桿剎車（比賽中幾乎不使用）。今年北京冬奧首次加入了女子單人雪車項(xiàng)目（MonoBob）。比賽開始時(shí)，運(yùn)動(dòng)員需要跑步推動(dòng)雪車上可回縮的推桿（剎車手推車尾部的扶手）推車加速，大約直線跑50米后依次迅速鉆入車內(nèi)開始滑行。

四人雪車項(xiàng)目，起跑后從最前舵手到最后剎車手依次跳入車內(nèi)丨圖片來(lái)源：IBSF

雪車組成部分丨圖片來(lái)源：adventure.howstuffworks.com

鋼架雪車（Skeleton）是單人項(xiàng)目，運(yùn)動(dòng)員推著雪橇起跑，然后頭朝前趴在雪橇上進(jìn)行比賽，雪橇上裝有緩沖器。鋼架雪車運(yùn)動(dòng)同樣起源于19世紀(jì)，1892年由純鋼制成的雪橇，即鋼架雪車誕生了。至于為什么叫“Skeleton”，有人推測(cè)是因?yàn)樽钤嫉摹澳举|(zhì)雪橇”比較像骨頭，也有人認(rèn)為是挪威語(yǔ)雪橇“Kjaelke”誤譯成了“Skele”。無(wú)論起源是什么，鋼架雪車一直是很受歡迎的冬季運(yùn)動(dòng)——它曾因太過(guò)危險(xiǎn)而被移除奧運(yùn)項(xiàng)目，又于2002年回歸[1]。

鋼架雪車項(xiàng)目丨圖片來(lái)源：Insider

將雪橇、雪車和鋼架雪車（以下簡(jiǎn)稱雪車雪橇運(yùn)動(dòng)）三項(xiàng)比賽放在一起介紹，一個(gè)最大原因是它們共用一條賽道，雪車和鋼架雪車同一起點(diǎn)，雪橇則另有起點(diǎn)。

北京冬奧雪車雪橇比賽在位于北京延慶的國(guó)家雪車雪橇中心舉行，賽道全長(zhǎng)1975米（比賽長(zhǎng)度1615米），有16個(gè)角度、坡度不同的彎道（最大坡度18%，平均坡度6%，且有世界第一個(gè)360度彎道），垂直落差121米[2]。為滿足高速滑行的要求，雪車雪橇賽道設(shè)計(jì)成復(fù)雜的空間三維曲面[3]。國(guó)家雪車雪橇中心是國(guó)內(nèi)第一條、世界第十七條由國(guó)際雪車聯(lián)合會(huì)（IBSF）認(rèn)證的賽道；形如游龍盤踞峻嶺間，因此得名“雪游龍”。

國(guó)家雪車雪橇中心及其賽道路線圖丨圖片來(lái)源：IBSF

快！取決于物理

雪車雪橇項(xiàng)目是冬奧賽場(chǎng)上最快的項(xiàng)目之三（高山速降滑雪也很快），四人雪車比賽最高時(shí)速可達(dá)150Km/h[4]，無(wú)舵雪橇也能達(dá)到140Km/h。如此高速的來(lái)源其實(shí)非常容易理解——重力，運(yùn)動(dòng)員僅憑人和雪橇的重力從高處向低處運(yùn)動(dòng)。此過(guò)程中重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，兩者都與質(zhì)量成正比，因此質(zhì)量越大，在其他條件都相同時(shí)，四人雪車是能量最大的。

國(guó)際雪車聯(lián)合會(huì)（IBSF）出臺(tái)的雪車項(xiàng)目規(guī)則中嚴(yán)格限制了車重，車身重量不足的情況可能需要在車內(nèi)加入配重——如何在雪車內(nèi)分配重量將對(duì)速度起關(guān)鍵作用。賽前和賽后，比賽隊(duì)員和雪車都會(huì)進(jìn)行稱重[5, 6]。

雪車和鋼架雪車重量限制

在曲折蜿蜒、冰雪覆蓋的賽道背后，是各種物理規(guī)律交相輝映的舞臺(tái)——完美的賽道環(huán)境，冰面摩擦力、空氣阻力是影響速度的關(guān)鍵因素；同時(shí)需要雪車雪橇本身性能出眾，運(yùn)動(dòng)員身著裝備得當(dāng)。運(yùn)動(dòng)員在舞臺(tái)上的演出，才是能否成為冠軍的決定性因素，他將是完美應(yīng)對(duì)所有的微妙物理學(xué)現(xiàn)象的第一人。

必須要說(shuō)明的是，雪車雪橇項(xiàng)目是危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)。急速過(guò)彎時(shí)，運(yùn)動(dòng)員將受到高達(dá)5~6g的加速度數(shù)秒。同樣的加速度我們也在過(guò)山車中能體驗(yàn)到（參見《冒險(xiǎn)者的游戲：過(guò)山車的歷史、物理與心理學(xué)》 ），但我們?nèi)淌前踩潭ㄔ谲囎?，而比賽選手只能依靠自身的肌肉控制。2010年溫哥華冬奧會(huì)上，一名格魯吉亞的運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練時(shí)就因滑出賽道不幸身亡。另一方面，頭部撞擊的后果也不可預(yù)估，運(yùn)動(dòng)員還要承受比賽過(guò)程中雪橇產(chǎn)生的巨大噪聲，有研究認(rèn)為可能長(zhǎng)時(shí)間這樣的狀態(tài)會(huì)造成精神疾病[7]。（關(guān)于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致腦震蕩，可參見《女足奪冠！頭球作用關(guān)鍵，但頂多了會(huì)有“職業(yè)病”，嚴(yán)重者會(huì)患老年癡呆》）

善用空氣動(dòng)力學(xué)

冬奧會(huì)的雪車雪橇項(xiàng)目大多數(shù)賽道長(zhǎng)約1.6千米，選手能在1分鐘內(nèi)飆完全程。比賽則進(jìn)行四輪，最終成績(jī)?yōu)樗妮啎r(shí)間之和。即使如此，冠亞軍差距也僅在百分之幾秒，甚至千分之幾秒的時(shí)間?？諝鈩?dòng)力學(xué)在此就起到了重要作用。早期的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的研究顯示，空氣阻力占據(jù)總阻力的20%~26%[8]；減少3%的阻力，最終成績(jī)將提高十分之一秒[9]。

就雪車運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，其主要的阻力來(lái)源于壓差阻力[10]。在車體的尺寸方面，一般資料可能會(huì)給出大概的限制，比如四人雪車不超過(guò)3.8米。（在無(wú)舵雪橇和鋼架雪車比賽中，“雪橇”同樣受到嚴(yán)格限制。）事實(shí)上，國(guó)際雪車聯(lián)合會(huì)對(duì)現(xiàn)代雪車的設(shè)計(jì)有非常嚴(yán)格的規(guī)定，在出臺(tái)的規(guī)則中直接給出了設(shè)計(jì)圖紙。這樣做的原因是既要保證運(yùn)動(dòng)員安全，同時(shí)起到公平競(jìng)爭(zhēng)的作用。當(dāng)然，這里也有一些靈活度，因此雪車設(shè)計(jì)的技術(shù)含量就凸顯出來(lái)——現(xiàn)代雪車被設(shè)計(jì)成更符合空氣動(dòng)力學(xué)的流線型。車體外殼（整流罩）的整體和地盤的幾何形狀（特別是車頭和尾翼），以及前后拼接縫，制動(dòng)器的位置等都將對(duì)速度產(chǎn)生影響。

雪車的制造還要考慮其材質(zhì)。雖然雪車總體重量很大，但運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)需要非常易于操控，同時(shí)保證運(yùn)動(dòng)員的安全，車身需要很輕且抗沖擊，底盤則具有極高的強(qiáng)度。廠商會(huì)選擇碳纖維復(fù)合材料——一臺(tái)世界級(jí)的雪車造價(jià)在25000-70000英鎊，而下面的滑行裝置（橇刃）也達(dá)到4000-10000英鎊[11]。運(yùn)動(dòng)員都頭戴面罩式的頭盔，而非頭盔加護(hù)目鏡的組合，也是為了減小空氣阻力。

雪車上領(lǐng)先設(shè)計(jì)者僅屬于少數(shù)幾個(gè)生產(chǎn)商。首量國(guó)產(chǎn)雪車是由中國(guó)航天科技集團(tuán)聯(lián)合中國(guó)一汽制造丨圖片來(lái)源：CGTN

實(shí)際上，除了花樣滑冰、冰壺等冬季運(yùn)動(dòng)外，空氣阻力對(duì)大多數(shù)冬季運(yùn)動(dòng)中都影響極大。有些項(xiàng)目，例如跳臺(tái)滑雪比賽，官方組織甚至?xí)拗剖褂脺p少空氣阻力的創(chuàng)新技術(shù)，就像游泳比賽中已禁止穿著鯊魚皮泳衣。從面料到印花、透氣與彈性，科學(xué)家對(duì)冬季運(yùn)動(dòng)服裝各方面都進(jìn)行過(guò)深入探索[8]。不過(guò)雪車雪橇項(xiàng)目并未對(duì)著裝有嚴(yán)格要求——畢竟身體控制稍差一點(diǎn)，其影響比空氣動(dòng)力學(xué)的影響大得多。他們一般身著緊身運(yùn)動(dòng)服和手套，雪橇項(xiàng)目手套上帶有釘子幫助起跑，雪車運(yùn)動(dòng)員則穿釘鞋。

雪橇比賽運(yùn)動(dòng)員的手套丨圖片來(lái)源：Sportsmatik

克服摩擦，調(diào)整最優(yōu)路線

如果要問(wèn)，冰為什么滑？這是一個(gè)物理學(xué)家花了上百年時(shí)間仍未找到確切答案的問(wèn)題。早期研究認(rèn)為，冰表面形成了一層水膜起到潤(rùn)滑作用，這一現(xiàn)象最初是由法拉第發(fā)現(xiàn)的。1987年科學(xué)家通過(guò)X射線衍射證實(shí)了冰表面確實(shí)有一層準(zhǔn)液態(tài)層（quasi-liquid layers，QLL），厚度僅為幾十納米[12]，后來(lái)則發(fā)現(xiàn)這是一種亞穩(wěn)瞬態(tài)，在冰升華和水蒸氣增長(zhǎng)時(shí)存在[13]。不過(guò)，理論上還沒能找出實(shí)驗(yàn)觀察到溫度在冰熔點(diǎn)附近時(shí)摩擦力會(huì)比低溫時(shí)大的原因[14]。以上文字只是想說(shuō)明，關(guān)于水（冰、雪）實(shí)在有太多的學(xué)問(wèn)；僅提冬季運(yùn)動(dòng)，不同相對(duì)速度下滑動(dòng)摩擦系數(shù)就很難確定；空氣濕度對(duì)冰面摩擦系數(shù)也有很大影響。這也是雪車雪橇運(yùn)動(dòng)的最大阻力來(lái)源——橇刃與冰面的摩擦[8]；但畢竟比賽場(chǎng)地環(huán)境不是選手能決定的，要克服摩擦力，還需要他們自身的水平。

在理論上，研究人員對(duì)雪車雪橇運(yùn)動(dòng)建模，從最簡(jiǎn)單的規(guī)定軌道一維質(zhì)點(diǎn)模型到把運(yùn)動(dòng)員和雪橇視為剛體的復(fù)雜模型[15]，理論結(jié)果和實(shí)際比賽都告訴我們滑行軌跡將是決勝的關(guān)鍵因素。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是運(yùn)動(dòng)員要善于規(guī)劃路線，縮短總路程。觀看比賽很容易發(fā)現(xiàn)，如果運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)彎后磕碰到賽道邊緣，或是路線沒有那么完美，最終成績(jī)就將大大折扣。

無(wú)舵雪橇比賽需要完全“躺平”、鋼架雪車則要“趴平”，細(xì)微之處是他們軀體、雙腿位置和頭俯仰角度。鋼架雪車比賽中，如果選手抬頭觀察賽道，身體重心可能發(fā)生改變，則可能會(huì)導(dǎo)致偏離軌道。雪車項(xiàng)目中，運(yùn)動(dòng)員在車內(nèi)的坐姿則會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡有較大影響（也影響空氣動(dòng)力學(xué)）。

理想狀態(tài)下過(guò)彎直道和彎道的基本受力分析，實(shí)際情況非常復(fù)雜，但目前轉(zhuǎn)彎模擬和實(shí)驗(yàn)吻合程度很高丨圖片來(lái)源：[16]

由于雪車和鋼架雪車前面有一段助跑，并且這部分對(duì)總成績(jī)有影響，許多該項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)員都是從田徑項(xiàng)目轉(zhuǎn)型的。在這樣緊張刺激的比賽中，對(duì)吃瓜群眾來(lái)說(shuō)最為歡樂的時(shí)刻可能是車出去了，人沒上去（如果是多人比賽，隊(duì)友或許能把他拽進(jìn)去）。

鋼架雪車推車啟動(dòng)階段影響因素丨圖片來(lái)源：[16]

因此，運(yùn)動(dòng)員身體感覺和控制才是真正決定勝負(fù)的因素。比賽瞬息萬(wàn)變，作為觀眾很難看清那些驚險(xiǎn)刺激的環(huán)節(jié)如何被優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員巧妙應(yīng)對(duì)——全程架設(shè)數(shù)十個(gè)攝像機(jī)，我們也只能看個(gè)大概。這也是為什么看比賽時(shí)，感覺他們都是同樣的姿勢(shì)，可有些運(yùn)動(dòng)員就是快的原因。

雪車雪橇難度大，還是玩玩爬犁吧。