《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

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