2019 年,肯尼亚长跑运动员埃鲁德·基普乔格(Eluid Kipchoge)成为第一个在两小时内完成马拉松比赛的人。这一成就曾具有近乎神话般的地位——一些生理学家认为,它已经达到了人类身体能力的极限。但在基普乔格的壮举之前,他和他的精英运动员们一直在不断缩短马拉松比赛时间。终于,四年前,在一场未经官方认可的、在维也纳一条平坦的六英里赛道上进行的比赛中,基普乔格以创纪录的速度完成比赛,用时一小时 59 分 40 秒完成了 26.2 英里。
根据负责保存比赛记录的世界田径组织(World Athletics)的说法,官方上,两小时马拉松的障碍尚未被打破。首先,基普乔格的比赛没有其他竞争对手。此外,他也不是一个人在跑。他与几位专业跑步者(称为配速员或“兔子”)一同跑,围绕他形成了一个空气动力学阵型。风洞测试和计算机模拟帮助团队完善了这一阵型:前方有五名配速员组成 V 字形,与雁群的倒影相似,另外两名选手则位于马拉松选手略微靠后、在其左右两侧。每跑完一圈,配速员就会轮换下去,换上新鲜的体力。有了这种对逆风的防护,基普乔格以比以往快一分钟多的速度完成了比赛。
但事实证明,或许还有更好的跟风(drafting)阵型可用于马拉松比赛——至少法国里昂中央理工学院(École Centrale in Lyon)的一队研究人员是这么说的。他们最近将微型人体模型置于风洞中,测试了多种形状。他们提出了一种有些类似于剑鱼身体的排列方式,可以将跑者的阻力降低 60%。他们声称,这将使马拉松比赛时间比维也纳 V 字形阵型快约一分钟。研究作者在一篇最近发表在《皇家学会会报 A 辑》(Proceedings of the Royal Society: A) 上的论文中写道,使用剑鱼形状,“或许可以创造出有史以来最快的马拉松比赛”。
但帮助开发和验证备受关注的 2019 年阵型的科学家们对此表示异议,他们引用了新研究风洞设置的缺陷以及用于探索该阵型的小型模型跑者的比例问题。比利时鲁汶大学(KU Leuven)土木工程教授伯特·布洛肯(Bert Blocken)表示:“论文本身显示,目前的结果与以往的研究结果之间存在巨大差异。”他曾使用计算机和风洞模拟来分析维也纳比赛的减阻情况。虽然《皇家学会会报》的论文表明 V 字形阵型可以将阻力降低 50%,但布洛肯说,过去的研究发现该数值接近 85%。
这里并不存在对马拉松阵型益处方面的争议。空气动力学研究人员一致认为,与独自奔跑相比,团队合作具有优势,尤其是在精英跑者进行比赛的速度下。新研究的作者之一、流体动力学教授皮特罗·萨利佐尼(Pietro Salizzoni)指出,作用在物体上的阻力与其速度的平方成正比。换句话说,速度越快,迎面而来的风阻就越大。在悠闲散步时,这种阻力几乎无法察觉。但在基普乔格创纪录的速度下——平均每英里 4.5 分钟,即每小时 13 英里,对大多数人来说感觉就像冲刺——推开空气就成了真正的阻碍。
布洛肯表示,关于维也纳比赛,有三项研究都指向了 V 字形阵型:一家英国咨询公司使用流体动力学模拟测试了 110 种阵型;他自己的团队进行了 15 种阵型的计算机模拟;以及涉及 10 种阵型的风洞实验。(由于赞助基普乔格比赛的英国化学公司 INEOS 有保密协议,因此这些报告并未发布。)布洛肯解释说:“所有这三项详细的先前研究都得出了相同的结论:‘目标选手前方为 V 字形,其后方有两名选手’的配置产生了最低的空气动力学阻力。”
萨利佐尼及其合著者独立测试了八种阵型,包括 INEOS V 字形阵型,方法是将固定的 6.5 英寸人体模型安装在室内风洞中。他们的目标是测量与马拉松跑者所经历的空气阻力成比例的阻力。最终,他们也发现了让两名配速员在后方的好处。萨利佐尼指出,作用在跑步目标上的力“是前方和后方压力的总和”——后方的选手有助于最小化任何压力下降。“你想控制你产生的尾流,”他说,这就像一级方程式赛车的后翼一样。
新发现产生显著差异的地方在于前方配速员的位置。萨利佐尼的团队得出结论,最有效的是剑鱼形剖面:一名配速员,其后方四英尺处有另外四名配速员组成一个狭窄的菱形,目标选手则位于菱形后方不到五英尺处。科罗拉多大学博尔德分校的生理学家罗杰·克拉姆(Rodger Kram)表示,这种阵型的“更窄的楔形”可以让跑者“像刀片一样划破空气”,他本人并未参与该研究团队。他将这一观点告诉了《科学新闻》(Science News) 杂志。
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布洛肯仍然不相信——他认为该团队的模型比例不合适。他表示:“当前作者使用的模型似乎是一种小型卡通模型,与真实人体的几何形状大相径庭”,他指的是模型可动关节不切实际的胸腹比例和锋利的边缘。布洛肯的研究使用了基于真实马拉松跑者扫描的、光滑的实体模型。
萨利佐尼反驳说,他们的模型具有“相当于运动员的等效面积和等效形态”,并且使用可动模型有助于提供更准确的数据。毕竟,运动中的人体的手臂和腿并不是固定不动的。布洛肯说,这“仍然可以为单人跑者提供现实的结果”,但他指出,阵型的流体动力学对细微的变化更为敏感。事实上,正如《纽约客》(New Yorker) 当时所指出的,2019 年比赛的阵型是如此精确地调整,以至于如果基普乔格偏离位置五英寸,他将暴露在更大的空气动力学阻力之下。
要让顶尖马拉松选手再次进行团队跑测试可能还需要一段时间。基普乔格通常每年只参加两场马拉松比赛。他 2023 年的第二场比赛将于 9 月在柏林举行,他在那里于 2022 年以 2:01:09 的成绩(没有阵型帮助)创造了世界纪录。