在马拉松长跑比赛中,有这样一种奇怪的现象,那就是比赛刚开始的时候,冲在最前面的参赛者往往不是最后的赢家。是因为他们冲太快,不懂得管理体力?这不太可能,因为参加比赛的可是专业人员,管理体力对他们而言可是基本的技能。

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是实力的问题?有这个可能性。不过假如真的是跑步速度的问题,那么最开始领先的参赛者应该一直领先到最后才是。那么究竟是什么主要原因,导致原本领先的长跑参赛者,失去冠军,甚至还不能拥有一个较好的名次?答案是:空气阻力。没错,就是这一我们走路、跑步和骑车时都会碰到的老伙计,决定了马拉松比赛的胜负。下面我们来看看它是怎么造成影响的吧。

  积少成多,聚沙成塔

空气阻力对跑步运动员的影响主要来自于压强差所带来的阻力。运动员向前跑时,会挤压前方的空气,使得前方空气压强变高,而运动员身后方的空气会因运动员的离开,来不及补充完毕,暂时变薄,压强变小。所以前方的高压空气会向后压,造成空气阻力。

下面我们来计算一下马拉松运动员在比赛中遇到的空气阻力有多大。假设长跑运动员的跑速为5米/秒,那么根据空气阻力公式,我们可以估算出长跑运动员长跑时的空气阻力约为4N,而这相当于他长跑时身上多带着两台手机。

但两台手机是很轻的,怎么能左右马拉松比赛的胜负呢?确实,在我们走路时,两台手机带来的影响在短期内似乎可以忽略不计。但是马拉松比赛里,4N的空气阻力给长跑运动员带来的影响可是出人意料地大。

德国西门子软件的空气动力学工程师史蒂夫和克里斯,曾经邀请2016年奥运会男子马拉松金牌选手——肯尼亚的埃卢德·基普乔格进行了这样一项实验。史蒂夫和克里斯让埃卢德重新全力跑奥运马拉松。只不过这一次,埃卢德前面不仅有一辆车顶上顶着一块挡风板的小汽车,还有一群人在他前面,以极大地减少空气阻力对埃卢德的影响。最后,埃卢德的成绩比奥运会上的还要快4分钟,而这相当于他领先了奥运会上的自己一圈多。

  克服空气阻力的最优解

当然,在实验做出来之前,职业竞速运动员早已知道空气阻力的影响,而他们也采用了各种各样的策略来减少空气阻力的影响。

如果是个人赛,那么参赛者要么跑在其他选手后面,要么减少自己的迎风面积,或者是跑在配速车的后面。如果是团体赛,那么他们就选择少数几位冲刺的选手,剩余的人则跑在最前面,轮流为冲刺选手抵消空气阻力,而这种策略就叫做气流牵引策略。在气流牵引策略里,不同的队形有着不同的减少空气阻力效果。其中最好队形是倒V型、箭头型或菱形的。

不只是人类,实际上其他动物也懂得使用气流牵引策略。例如需要迁徙的鸟类,它们会排成倒V形队形、或者竖一字形队形,轮流为同类减少空气阻力,进而减少能量的消耗。即使是一些进行短途移动的鸟类,例如鹅,也会采用气流牵引策略。

  螺旋的空气阻力

谈到飞行时的空气阻力,就不得不提到一种人类飞行器飞机,特有的空气阻力——翼尖涡流。翼尖涡流是机翼尾部的螺旋气流。它是怎么产生的?

飞机上升靠的是机翼所产生的压强差。下方机翼的空气压强高,而上方机翼的空气压强低,因此飞机就会被空气抬升。但是在上、下机翼的压强差的作用下,一部分气流会绕过翼尖,流向上翼面,形成漩涡气流,于是翼尖涡流就形成了。左翼的翼尖涡流呈顺时针,而右翼的呈逆时针。翼尖涡流又会反过来把飞机往下压,从而阻碍飞机上升。

因此,科学家就在飞机机翼的尾部,装上翼尖小翼,它们能阻挡或减弱翼尖涡流。据估计,在有翼尖小翼的情况下,飞机能节省10%~29%的燃料。