[论文解读] The Effects of Temperature, Pressure, and Humidity Variations on 100 Meter Sprint Performances

Jonas Mureika|arXiv (Cornell University)|May 17, 2005

Sports Performance and Training被引用 3

一句话总结

本研究通过‘密度海拔’修正方法，量化了温度、气压和湿度共同影响100米短跑表现的影响。结果表明，即使风速和海拔相同，大气条件仍可使短跑成绩差异达0.1秒，因此在未进行完整气象校正的情况下，‘等效’成绩不可比较。

ABSTRACT

It is well known that ``equivalent'' sprint race times run with different accompanying wind speeds or at different altitudes are anything but equivalent races. The drag force acting on a sprinter is a function of air density and the relative wind speed, where the former has traditionally been calculated using the race venue's elevation above sea level. However, air density variation is dependent on more than just altitude. This work will quantify how changes in air temperature, barometric pressure, and humidity levels influence 100 m sprint performances. When these effects are considered in combination, the corrections to performances can be very large. The results suggest that a non-negligible difference in race times can be expected for ``equivalent'' performances run with the same wind speed at the same venue or physical altitude, but under different atmospheric conditions.

研究动机与目标

• 调查温度、气压和相对湿度的变化如何影响100米短跑表现，超越传统的基于海拔的校正方法。
• 量化这些大气因素对空气密度和短跑中空气阻力的综合影响。
• 证明即使在相同风速和海拔条件下，‘等效’短跑成绩仍可能因大气条件不同而显著差异。
• 开发一种改进模型，基于完整的气象参数对短跑成绩进行校正，而非仅依赖海拔或风速。

提出的方法

• 改编了先前研究中的数值短跑模型，引入温度、气压和相对湿度作为影响空气密度的变量。
• 运用流体动力学原理，将阻力建模为与空气密度和相对风速平方成正比：$ F_{\text{drag}} \propto \rho_{\text{air}}(v - w)^2 $。
• 计算在15–35 °C、0–100%相对湿度和85–105 kPa气压范围内的空气密度，以确定有效密度海拔。
• 对不同大气条件下的运动方程进行数值积分，推导出比赛用时。
• 将结果与标准条件进行比较：海平面、25 °C、无风、101.3 kPa气压，成绩为9.70 s。
• 生成性能曲线，展示在极端大气条件下的时间变化，包括高压和低压极端情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 温度、气压和湿度的联合变化如何共同影响空气密度，从而影响100米短跑表现？
• RQ2 在风速相同的情况下，除海拔外的大气条件在多大程度上改变短跑成绩？
• RQ3 在极端大气条件下，‘等效’短跑成绩之间的最大可能时间差是多少？
• RQ4 高温高湿条件与低温干燥条件相比，其综合影响在表现上如何差异？

主要发现

• 仅温度变化对成绩影响微小，在20 °C范围内仅导致约0.02秒的差异。
• 相对湿度与温度的联合效应显著降低空气密度，尤其在高温高湿空气中，导致成绩变差。
• 极端大气条件——具体为85 kPa、100% RH和35 °C——产生最低密度的空气，导致最慢的短跑成绩。
• 相反，105 kPa、0% RH和15 °C产生最高密度的空气，导致最快的成绩。
• 即使经过风速校正，这些极端条件之间的成绩差异仍超过0.1秒。
• 本研究证实，即使在相同场地和相同风速下，‘等效’成绩仍可能因大气条件不同而显著差异，挑战了标准时间校正方法的有效性。