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残奥运动员比赛时，用的轮椅为什么是“八字形”的？

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-09-07 10:01

正文

最近，巴黎残奥会正在火热进行中，中国残奥会代表团的284名运动员正在赛场上挥洒汗水、展现风采、为国争光！

观看比赛的小伙伴可能会发现，轮椅网球、轮椅篮球、轮椅竞速等比赛中，运动员们用的轮椅都是“八字形”的。

轮椅篮球 | 图源：新华社

“八字形”轮椅和普通轮椅有什么区别？为什么比赛用的轮椅是“八字形”的呢？我们一起来研究一下~

“八字形”轮椅的主因——力学稳定性

竞技体育中使用的轮椅采用“八字形”的设计，一个主要原因就在于其稳定性。

我们都知道，大车拐弯时很容易发生侧翻，造成交通事故，在轮椅类的竞技体育中同样如此。拐弯时，会产生向心加速度，从而整体上会出现一个不存在的、外向的惯性力。运动员上半身会因为这个惯性力的作用，被“甩”至外侧，整体重心会偏移至外侧。惯性力和重心的偏移，都可以使得轮椅在极速转弯的过程中发生侧翻。

拐弯时容易发生侧翻 | 图源：澎湃新闻

人体体型决定了轮椅坐垫的宽度，普通轮椅H型的设计能够减小占用空间，方便出行，但地面支点的间距相对较小，会影响轮椅的稳定性，不适合在竞技比赛中使用。“八字形”的轮椅设计能够增加地面支点的间距，增大支点围成的面积，相对来说不容易发生侧翻。

支点间距对比 | 图源：作者供图

其实，竞技轮椅的设计，离不开相关的力学分析，其中最常见的就是轮椅的静力学分析^[1-3]。此外，轮椅动力学分析更加重要^[4]，例如下图针对轮椅冰壶运动，对轮椅进行了力学和运动学的分析。相关的力学分析，一方面可以为轮椅设计提供更好的方案，另一方面也可以指导运动员训练。

竞技轮椅离不开力学分析 | 图源：参考文献[4]

“八字形”轮椅的次因——人机工程学

增加两后轮的间距，可以增强竞技轮椅的稳定性。而运动员双手的可操控区域，决定了轮子的“八字形”设计，这就是人机工程学^[5-7]，通俗地说就是运动员把轮椅作为工具时的便捷性和舒适性。

稳定型要求后轮间距变宽，如果采用H型设计，运动员在操控后轮时，就会始终处于手臂横向张开的姿态。这种姿态，一方面不利于手臂力量的完全使出，会影响运动的竞技性；另一方面长期保持这种姿势，容易引发手臂疲劳。“八字形”的设计，能使运动员发挥更出色。

人机工程学仿真分析 | 图源：参考文献[7]

竞技轮椅中的人机工程学分析不仅仅用于确定“八字形”后轮的分布形式，还涉及轮椅与坐垫的间距、轮椅的包容性、运动员姿态、作业空间等。

竞速轮椅的人机工程学运动员姿态分析 | 图源：参考文献[5]

竞技体育，从来都不只是体育本身的竞争。在力学和人机工程学分析的加持下，才可能设计出性能更加优越的竞技轮椅；而把设计变成现实，还需要材料、制造等多个行业的支持。

在祖国母亲的强大支持下，期待中国健儿在巴黎残奥会上展现最好的自己，取得新的突破。

参考文献

[1]曲安.乒乓球轮椅的分析与评价研究[D].大连交通大学,2010.

[2]马笑玲.一种新型篮球运动轮椅的设计与分析[D].大连交通大学,2007.

[3]伏嘉裕.基于行为分析的轮椅车架优化设计研究[D].中国矿业大学,2022. DOI:10.27623/d.cnki.gzkyu.2022.001137.

[4]孙冬,赵亮,黄莹,等.运动生物力学视角下残疾人体育竞技表现提升研究进展[J].体育科学,2020,40(05):60-72.DOI:10.16469/j.css.202005006.

[5]刘军.基于人机工程学的竞速轮椅研究[D].大连交通大学,2008.

[6]冯云龙.基于人机工程学的篮球轮椅设计[D].天津科技大学,2014.

[7]张秀艳.基于人机工程学的网球轮椅设计[D].大连交通大学,2007.

作者：王永健，南京农业大学副教授，江苏省力学学会科普工作委员会副秘书长，江苏省首席科技传播专家

策划：小小蒲公英

编辑：小叮当

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来源：上海科技馆

编辑：阿泊

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