首页 >> 专题:奥运 >> 物理 >> 文章

如果比速度,大概不如田径,但是比谁穿的少,短池游泳大概要数一数二了吧?但是在北京奥运会的水立方里,我们恐怕会悲痛的发现,无论是青筋暴起的肌肉男们还是身材魔鬼的一塌糊涂的美女们,身上都将像粽子一样越包越严实,直接剥夺了观众们大好的养眼机会。是什么让他们不顾全球变暖的大趋势,逆流而上越穿越多的呢?

 

(上图:菲尔普斯展示鲨鱼皮四代(快速皮肤IV)——激光竞速者)

泳衣界的巨鳄,英国的Speedo公司就是传说中的那个幕后推手。为了实现其领导全球泳装科技的目的,该公司从1992年开始革新泳衣面料。但是直到2000年悉尼奥运会,索普凭借着"鲨鱼皮一代"拿下三金两银后,各国才对这种新面料泳衣的热情才达到了高潮。2004年雅典奥运会上,表面布满点状颗粒的"鲨鱼皮二代"更是出尽了风头--47名运动员披着"鲨鱼皮"到台上领奖。2007年,鲨鱼皮三代下水不到一年,21项世界纪录就被改写。今年二月,赶在北京奥运会前,"鲨鱼皮四代"正式推出,39项世界纪录据说已经作古,更是有50多个国家的运动员,宁可和赞助商们撕破脸皮,也要移情别恋,纷纷钻进SPEEDO的鲨鱼皮囊里。各位观众,松鼠会广告时段到此结束,下面那么我们将以"流体松鼠--waterOrO"挑剔的眼光来看看这传说中耗资上百万英镑的鲨鱼皮研究到底靠不靠谱吧。


先爽一个视频:http://www.youtube.com/watch?v=dvMdqvO3R9g&eurl=http://www.ath1337.net/lzr-racing-swim-suits-new-technology-or-cheating/

这个视频给我们展现了第四代鲨鱼皮(快速皮肤FASTSKIN IV-激光竞速者LZR - RACER)的研发过程。Speedo公司利用了自己庞大的签约运动员名单,扫描了世界上四百余名顶尖的游泳运动员的几何外形用来制作阻力实验的模型。但是报道中没有提及Speedo的研发团队--Aqualab(水运动实验室)究竟是怎样利用这些数据的。他们只采用了一个运动员的数据?还是把运动员的几何外形都进行了平均?或是针对每个运动员都进行了模拟?如果是最后一种情况的话,这个工作量别说三年,就是三十年也很难完成。测试了上百种面料以后,研究人员把目光集中在了两种合成材料上:LZR pulse®(激光脉冲),一种疏水性材料,它就像沾满露珠的荷叶那样,即使泡在水中也不会被浸湿;和LZR panel(激光面板),一种表面附加塑料薄膜的纤维材料。这两种材料被粘附到阻力模型表面从而进行流体力学的相关实验。
Speedo公司聘请了拥有世界上最先进水槽之一的新西兰奥塔格大学和长期致力于流体阻力研究的美国航天航空局(NASA)来进行阻力实验。不过,各位看官千万不要被那个航天飞机发射的视频蒙到,实际上NASA只是使用了低速风洞对泳衣的纤维材料进行了测试,不像很多报道中宣称的那样,该实验用的风洞是用来测试航天飞机飞行阻力的。风速28米每秒的低速风洞实验足以模拟泳池中两米每秒的游速(空气和水是性质不同的流体,为了能模拟出水中的现象,风速要经过换算调整到比较高的水平)。而航天飞机阻力实验主要是测试高超音速(大概音速的三到五倍)下航天飞机飞行状况的。风速达到音速以上,热效应将会非常严重。能在音速下的气流中游泳,而且还能保证自己穿着泳衣,估计超人都要羡慕的羞愤自尽的。

阻力实验选定了LZR Panel材料。随后,研究人员使用该材料制作了实验泳衣,并带到了澳大利亚运动学院进行了真实泳池中的实战测试。测试结果令研究人员们异常兴奋,穿着LZR Panel泳衣的测试比穿普通训练泳衣快4%。这在五十米短池比赛中就等于超前了两米,相当于一个身位的巨大优势。同时耗氧量降低5%,能有效延长运动员的巅峰表现。可以说,如果这种材料如此成功的话,对于游泳这种决胜于百分之一秒的运动来说,是否采用"鲨鱼皮"就是生死存亡的决定因素了。

最令人激动的是,Speedo还第一次完全从流体力学原理出发,提出了泳衣塑形的划时代概念。这个概念由"流线型塑体"、"振动抑制"和"无缝拼接"三个点子组成。利用泳衣可调的弹性,LZR-RACER会把身体上阻力比较大的部位收紧,把运动员的身体塑造成更接近流线型的形状,并且减少了肌肉和水之间因为压力剧烈波动引起的振动。这种振动会干扰流过身体的流线,消耗身体的动能,从而降低运动员的速度。同时,"鲨鱼皮四代"还用超声波拼接,制成了"无缝天衣",大大降低了接合处对流线的扰动。一旦流线可以光滑的经过身体表面,运动员就可以对水流的扰动最小,将阻力最小化。

如果通过实验来一步步验证这些令人激动的概念设计的话,工作量将超出想象。因此,流体力学家们只能求助于计算流体力学,即通过计算机对运动员在水中的受力进行模拟。从理论上来讲,世界上所有的流体的运动都可以通过一组被称为纳维尔-斯托克斯方程(Naviar-Stokes Equations)来描述。这也是流体力学的可爱之处--流体力学家们从来不用像化学家那样记忆无穷无尽复杂的化学式。同时,纳维尔-斯托克斯方程也是所有流体力学家们的噩梦--该方程臭名昭著的复杂和难解。目前为止,科学家们只能通过各种费尽心机的手段,得到尽量接近真实的数值解。不过,经过数十年的发展,这个方法已经发展成为一门学科--计算流体力学,并羽翼丰满,可以大量应用于工程实际了。大到星际爆炸,飓风肆虐,大洋环流,火山爆发,油轮和客机航行,小到浮游生物游动,心血管流态都可以通过计算机模拟出来。这大大节省了实验成本,提高了数据精度和完整程度。目前,一级方程式赛车比赛和美洲杯帆船赛已经成为流体力学运用到竞技运动的典范。国内,据说北京航空航天大学曾经为排球运动进行过相关的风洞实验。但是计算流体力学的案例就很有限了。(我们学校的男排已经和职业队一起征战甲A联赛好几个赛季了,不无我们流体力学所的功劳。)

 

(计算流体力学模拟结果:经过一名游泳运动员的水流速度场)

英国诺丁汉大学的研究组就受邀进行了相关的计算流体力学模拟研究。他们采用了运动员在水中滑行的动作,即双手合并前伸,双腿向后绷直的姿态进行模拟,从而得到相应的阻力。应用ANSYS公司的先进网格划分软件,研究人员可以更精确的模拟出紧贴运动员身体表面的流动速度和压力的细节,从而指导泳衣的设计。从模拟结果来看,与"鲨鱼皮二代"相比,改进后总阻力据说降低了24%。
这个结果似乎非常具有说服力,但是仔细分析起来,这个研究还是有着巨大的缺陷。首先,游泳不全是一个静止的滑行过程。大部分时间里,运动员要在水面进行大幅度的剧烈运动。如果诺丁汉大学只考虑了一个姿态显然是不够的。其次,由于运动员在水面运动,模拟计算需要涉及空气和水的复杂相互作用,大量的气泡和飞溅的水滴使模拟计算几乎成为了不可能完成的任务,所以最后研究只集中在水下滑行段。最后,运动员的泳姿对速度的影响更大。而且很多时候,划水动作是通过制造漩涡来产生推力的,和身体表面的摩擦阻力关系并不大。但是,由于追求身体形状的流线型,泳衣压缩了肌肉,反而可能让运动员划水的时候觉得碍事,使正常的技术动作变形。从计算流体力学的角度来讲,模拟划水的过程需要动态网格这一不成熟的技术来支持。所以,通过这个不到位的研究就把流线型塑体的概念引入,未免有些哗众取宠之嫌了。

计算流体力</p

(计算流体力学模拟结果:经过一名游泳运动员的阻力分布图)

然而不可否认,由于Speedo先前的实验研究还是具有一定的可信度,并在实际测量中进行了证实,因此笔者认为该泳衣在速度上还是具有一定优势的。不过,LZR-RACER泳衣更重要的优势则来自于竞技运动的心理战术。就像一位试穿该泳衣的运动员说的那样:"如果我认为穿着的不是世界上速度最快的泳衣,我是不可能有信心战胜自己战胜别人的。"
最近,中国游泳队赞助商Nike公司终于顶不住各个国家队对成绩的追求的压力彻底缴枪投降,发表声明允许在全球范围内赞助的所有国家游泳队改穿其他品牌参加北京奥运。中国泳联从全球LZR-RACER唯一的供货商,一家设在葡萄牙的制衣厂定做了58套"鲨鱼皮"。有队员表示,穿这种泳衣非常难受,恨不得马上把它脱掉,所以会在水里拼命的游。不管如何,LZR-RACER是攒足了心理优势。加上最近,国际泳联免费为Speedo公司宣传,宣布Speedo公司采用的新材料并不违反国际泳联关于泳衣不得使用增加浮力和速度的规定。鲨鱼皮四代就此摧枯拉朽般的占领了奥运泳衣市场的大片江山,宣告了Speedo上百万英镑的研究经费没有白白砸出去,取得了营销市场的绝对性胜利。不过普通人想试试这种鲨鱼皮四代还是要付出高昂的代价的。一套LZR-RACER售价高达600美金,而且需要专人帮助花四十分钟才能穿上,更要命的是,这种泳衣的寿命太短,只允许穿六次。
话说回来,无论是Speedo是在真忽悠,还是真的取得了重大突破,都让我们更进一步了解了一个时髦的科学--计算流体力学,套用郭德纲的话就是:真让我欣慰!计算流体力学并不是那样遥不可及,像航天飞机,苏-27战斗机,一级方程式赛车那样高高在上。而是可以应用到所有和水和空气阻力过不去的地方。在未来,它还会进一步把它的威力展现在竞技体育,和人们日常生活的方方面面的。
花絮:人们最早认为裸泳速度最快,但是由于太"拉风",并没有人在比赛中采用过。但是运动员担心体毛茂盛,把头发胡子,身体各处的体毛都剃光来减少阻力却是普遍现象。后来,据说荷兰科学家经过研究得到了穿泳装比裸泳速度更快的结论。这个研究的目的,研究的独立性和可信度还值得进一步讨论。而且,研究者是否只是研究了欧美人的身体呢?亚洲人体毛较少,会不会有不同的结论呢?但是有一点是肯定的,本着和谐社会,八荣八耻的精神,我们还是不提倡裸泳的,所以泳池中的科技研发战将愈加激烈。

参考资料和相关链接:
松鼠会安婆婆从另一个角度来看"鲨鱼皮四代":
http://songshuhui.net/archives/654.html
ANSYS公司关于LZR-RACER研究的描述:
http://www.ansys.com/magazine/issues/06-12-2008-ansys-advantage/01-sports.pdf
经济学家杂志的报道:
http://www.economist.com/displaystory.cfm?story_id=11527308
百度百科--计算流体力学:
http://baike.baidu.com/view/70002.htm
Speedo公司提供的一系列泳衣研发视频(果然市场推广有两把刷子,视频做的相当酷):
http://www.speedo80.com/lzr-racer/video_player/play/computational_fluid_dynamics
Popular Science上的报道:
http://www.popsci.com/entertainment-gaming/article/2008-03/can-swimsuit-be-too-good

0
相关文章

16 Responses to “游泳“画皮”——“鲨鱼皮四代”是不是在忽悠人?”

  1. 团儿说道:

    有没有必要花那么多钱搞一套只能穿六次的泳衣嘛!!

    • WaterOrO说道:

      从心理战上讲,只能穿六次的泳衣是不是让运动员觉得更牛了呢?

    • Red说道:

      speedo已经辟谣了 只要穿着得当,不只6、7次的

  2. [...] 游泳“画皮”——“鲨鱼皮四代”是不是在忽悠人? [...]

  3. 说道:

    不就为了一个金牌嘛 劳民伤财

  4. 2t说道:

    鲨鱼皮也只是对专业运动员大比赛时候穿用的。能穿6次有一次拿个金牌也物有所值拉。一般人谁去穿那个鲨鱼皮呀
    我觉的对成绩应该是有帮助的,心理的帮助或者一点一毫的微不足道的0,01秒,

  5. Kay说道:

    0.00000000000000000000000000000000000000000001秒

    • WaterOrO说道:

      呵呵,昨天菲尔普斯的八块金牌梦差点断送了。最后时刻美国只快了0.08秒吧?是不是鲨鱼皮的功劳呢?

  6. 老菜说道:

    高端产品越神奇
    大众产品越稀奇
    高端作秀
    低端作市场
    Speedo很好很聪明!

    • WaterOrO说道:

      从市场营销来讲,Speedo绝对是个经典案例。从另一个角度来说,这也为科技进步提供了市场

  7. 秀葱秋色说道:

    据说中国队为了公平不准备穿“鳄鱼皮”,还穿耐克泳衣,哦,人家穿,我们不穿,那有点冒险啦,世界向更高更强的科学发展,我们也要做出及时反应呀,在科学领域也要发扬奥林匹克精神竞技一样当仁不让,多多拿奖牌,多多采用科技成果。虽然只有58套,可以给有夺冠的运动员穿啊。祝北京奥运会多拿奖牌。

  8. 秀葱秋色说道:

    发挥高科技时代的体育竞技真正到来了

  9. 其实,water同学写的,看上去比我们刊翻译日本人的稿子还要好些,哈。

    • WaterOrO说道:

      呵呵,不知道能不能卖出去啊?小蓟可以给推荐一下吗?

  10. TTTT说道:

    看看今年的泳坛成绩就知道了,今年上半年最少有八个世界纪录被不同的人反复打破,而且很多都提高了接近一秒,这在鲨鱼四代出现前是不可想像的。所以鲨四的作用显而易见,这不是赶时髦。

    • WaterOrO说道:

      从统计上来讲,安婆婆的那篇文章分析的比较详细。今天菲尔普斯拿了第三块金牌了,拭目以待。