《BBC知識》用物理學贏得環法自行車賽
■ 第一百屆環法賽在今年7月下旬風光落幕，來自各國的頂尖好手無不使出渾身解數，除了要與其他隊伍較勁，還得絞盡腦汁、機關算盡，只為拉攏「物理定律」站在自己這一邊。
作者│詹姆斯‧ 威茨（James Witts） 譯者│蔡承志
今年6月29日星期六， 舉世最富盛名的自行車競賽「環法自行車賽」從科西嘉島鳴槍開跑。這次是這項賽事的第一百屆。眾所矚目的比賽焦點是英國選手克里斯‧弗洛姆（Chris Froome）、哥倫比亞選手那洛‧昆塔納（Nairo Quintana）和西班牙選手荷昆‧羅德里格茲（Joaquim Rodríguez）等領騎主角之間的較量。不過在他們背後還會上演一場物理定律的角力。
約三千四百公里的賽程在巴黎畫下句點。7月21日，弗洛姆首度披上總冠軍的黃衫，證明自己最能成功把推動自行車前進的「正面力量」增到最強，同時把拖慢車速的「負面力量」減到最小。
第一個賽段是從科西嘉南部的韋基奧港（Porto-Vecchio）騎到島嶼北部213公里外的巴斯蒂亞（Bastia），一百七十名自行車手賣力踩踏，在此首度遭遇種種阻抗的力量。重力、空氣阻力、滾動阻力和摩擦力等都會消耗能量，拖慢進程。
某些阻力在賽事開始前就已經決定了，車手在起點一坐上座墊，對這些阻力就束手無策了。試舉滾動阻力為例，這是阻抗輪胎滾過路面前進的作用力。自行車加車手的總重讓輪胎接觸地面的部分變形。輪胎並不會以導致變形的同等能量回彈，而是失去部分能量化為熱能。研究顯示，當車速約達每小時十四公里，滾動阻力約占全部阻力的五成。
為抗衡滾動阻力，專業車手使用管胎（tubular tire）， 不用開放胎（clincher tire， 台灣又稱open胎）。開放胎是由內、外胎組合而成，裝進輪框內夾緊，管胎輪組則捨棄了兩件式組合和輪框，採用單件式輪胎，上膠直接黏在無夾縫的輪框上。由於少了包覆輪胎側邊的框緣，管胎的胎壓就可以高於開放胎；環法車手行經韋基奧港到巴斯蒂亞等公路路段時，多使用120psi，不過前輪通常少打10 psi以利操控。這樣可以讓輪胎變形得最少，把滾動阻力降到最弱。典型公路汽車的胎壓約為30 psi。
自行車可動組件的摩擦也會導致能量損失，這全非車手所能掌控。不過多年下來，自行車設計師已經把摩擦力降到最小。一小時耐力賽前任紀錄保持人格萊孟‧歐伯利（Graeme Obree）說明：「你只要讓鏈條和曲柄等傳動系統保持油潤不沾塵，效率就能達到98.5％。」歐伯利在1993和1994年用洗衣機零件組裝成的單車打破一小時紀錄，因此大出風頭。
克服空氣阻力
不過比起大氣壓力，滾動阻力和摩擦力的影響顯得微不足道。6月底科西嘉的平均氣溫為攝氏二十六度，同時在海平面左右高度，一立方公尺乾燥空氣的質量約為1.2公斤。大氣壓力產生的空氣阻力和車手的速度平方成正比，自行車手在空氣中推進所需的功率則與速度的立方成正比，所以要使車速加倍，得花上八倍的功率。環法選手的車速一旦超過每小時五十四公里，他們就必須投入九成能量來克服大氣壓力。當然，如果他們位於「主車群」（peloton，指集體前進的車隊）當中，又另當別論了。
「車手會在後方留下明顯尾流。」與英國自行車協會（British Cycling）合作、美國TotalSim公司的計算流體力學專家羅勃‧路易斯博士（Rob Lewis）表示，「這種尾流是被他們拉著向前移動的空氣，所以若緊緊尾隨前方車手，進入這道尾流，結果就彷彿頂頭風（逆風）轉弱了。」這種效益相當明顯：研究顯示，當車速達到每小時五十五公里，後方尾隨的車手就可以省下三成五的力氣。
荷蘭自行車手弗雷德‧羅姆佩伯格（Fred Rompelberg）在1995年開創的輝煌成就彰顯了這般牽引的威力。他在美國猶他州的鹽灘尾隨車尾裝了超大整流片的高速賽車，創下時速268.83公里的紀錄。這個實例很極端，卻也為環法選手上了一課。歐伯利表示：「體格較小的車手最好前面有個較高大的車手領頭，這樣前方的就會像是後方的擋風玻璃。」
在環法自行車賽選手當中，英國選手馬克‧卡文迪許（Mark Cavendish）算是個頭小的。他的身高約175公分，大半賽程他都穩穩跟在同隊「勤務」（domestique）護航的車手後方，儲備能量在最後全速衝刺。
這位體重七十公斤，在職業車手中完全稱不上魁梧的「曼島飛彈」（Manx Missile）， 就是在當日競技倒數幾米的瘋狂賽段，打敗了原本對他不利的物理學原理。創立斯馬爾特空氣動力科技公司（Smart Aero Technology）的空氣動力學家西蒙‧斯馬爾特（Simon Smart）說明：「較重的車手一般能產生較大的功率。」斯馬爾特原先專注於一級方程式賽車，後來轉戰自行車界。歐伯利針對這點詳加闡述：「人產生的功率和身體體積呈正相關，所以高大車手比瘦小車手多占了點便宜。體積以立方增長，迎風面積則是以平方擴大。」換句話說，當車手的體積增大，功率比空氣阻力增加得更快。不過卡文迪許戰術運用得巧妙，減少空氣阻力的姿勢以及一千六百瓦的出色功率，他在衝刺賽段肯定都有實力角逐寶座。
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作者／詹姆斯‧威茨 體育記者，擁有體育科學學位。
譯者／蔡承志 政治大學心理學碩士，長期從事科普翻譯。
●本文選自《BBC知識國際中文版》第25期（2013年9月號）。版權所有，轉載請註明出處。
責任編輯：Nita Hsu