首页 >> 专题:奥运 >> 文章

摘自《奥运中的科技之光》,赵致真著。经赵致真先生授权,科学松鼠会网络发布,转载请注明。

“也许我们总有一天能建造更多‘环球同此凉热’的人工冰雪场,但作为奥运会的‘半边天’,冬奥会大概永远只会在地球高纬度地区的冬季举行。”

冰雪盛会

比起赤日炎炎、热力四射的夏季奥运会,冰天雪地、银装素裹的冬季奥运会别有一番韵致和风光。这里是洁白如玉的征途,晶莹如镜的赛场,“断桥危立”的跳台,陡峻盘曲的滑道。脚踩冰刀和滑雪板的健儿们驰骋如风、将飞欲翔;驾驭雪橇的勇敢者则创造了陆地极限速度,被誉为“冰上一级方程式”。1908年伦敦奥运会便首次设立了花样滑冰项目,但早期奥运会“夏行冬令”的确勉为其难。1924年巴黎奥运会将冰雪项目的比赛提前半年在夏蒙尼举行并称之为“第八届奥林匹亚国际体育周”,此后被国际奥委会“追认”为第1届冬季奥运会。当“白色奥运”从“附庸地位”到另立门户,五环旗交替飘扬在地球上寒暑分明的两个季节时,奥运会就更加色彩绚烂和充实完整了。

要说冬奥会是一种“水上运动”也不为错,因为冰雪本来是固态的水。尽管地球表面71%被水覆盖,并且有2%的水体以冰的形式存在。我们对于水和冰的认识却仍然相当肤浅,包括人在冰雪上运动的复杂力学关系。

2007年11月9日,加拿大选手沃瑟斯庞在美国盐湖城以34秒03的成绩创造了500米速滑世界纪录,平均速度达到每秒14.69米。而牙买加选手鲍威尔2007年9月9日创造的男子百米短跑世界记录为9秒74,平均每秒10.27米。可以说,滑冰是人类靠着双脚在地球表面上移动的最快方式。

clip_image002

2007年11月沃瑟斯庞参加盐湖城速度滑冰世界杯赛

关于滑冰的记载可以追溯到4000多年前的斯堪的纳维亚半岛。将鹿和牛的胫骨、肋骨绑在脚上,这就是冰鞋最早的雏形。1250年,镶嵌在木板上的铁制冰刀在荷兰出现。而1572 年苏格兰人发明的第一双全铁冰刀则是现代冰刀诞生的标志。

为什么冰刀不能在水泥、玻璃、钢板上滑行,却能在冰面上翔舞自如、“游刃有余”呢?许多文章和教科书已经告诉我们,首先由于冰刀的压力使冰的熔点降低,同时由于摩擦生热,导致接触点的冰迅速融化,于是产生了一层薄薄的水膜,在冰刀和冰面间起润滑作用。也有不少科学家始终质疑这一解释,认为仅凭冰刀的压力和运动的摩擦远不足以使冰面融化。近年来的研究已经证实,冰即使在环境温度远远低于熔点的情况下,表面也会形成厚度由几个水分子到几千个水分子构成的液态层,这是因为冰层内的每个水分子都被上下左右其他相邻分子所“固定”,而表面水分子则只能与“下层”分子连接,垂直振动速度更快,于是失去稳定的晶体结构,即使在远远低于熔点的温度下也会表现为“半液体”状态。这一发现的重大意义在于,冰的“光滑”主要是自身的天然属性,而不是来自外力的作用。

clip_image004

冰刀在冰面上滑行示意图

滑冰无疑是最舒展流畅、轻盈灵巧的运动,身体蹲屈,两腿交替,蹬冰、收腿、下刀、滑进,运动员流星般掠过冰面,身后留下美丽的弧线。滑行时我们追求最小的阻力,但蹬冰获得动力时,又需要有最大的阻力。因此身体重心所在脚的冰刀长轴必须与前进方向一致,蹬冰脚的用力方向却要与冰刀长轴垂直,靠锋利的刀刃“切入”冰层去“啃冰”。和菜刀的刀刃大相径庭,冰刀的刀刃是一个拱形的凹槽。中长距离速滑冰刀要保持较好的直线性,因此刀身较长;短道速滑冰刀的刀身相对较短并较高,以便于在弯道上弧线前进和倾斜度很大时冰鞋不会接触冰面。而冰球运动员左奔右突,花样滑冰运动员翻腾跳跃,对灵活多变的要求胜过对直线速度的要求,因此冰刀的刀身短、刀刃利、刀槽深,前端一排“锯齿”能够更好控制急转骤停。

1998 年日本长野举行的冬奥会上,速度滑冰的世界纪录几乎全部被打破,接着在2002 年美国盐湖城冬奥会上,所有世界纪录又再次被刷新,导致这场“冰上革命”的直接原由,便是被运动员戏称为“托板鞋”的“克莱普”冰刀。

clip_image006

克莱普冰刀

clip_image008

克莱普冰刀滑行

我们在奔跑和跳跃时,髋关节、膝关节、踝关节的肌群能按照自然顺序协同工作。但在传统的滑冰动作中,由于冰鞋和冰刀前后两端固定,完成蹬冰动作时如果伸展踝关节就会招致刀尖“刨冰”,轻则增加阻力,重则失去平衡,因此必须控制踝关节跖屈,并将“锁踝”作为技术要领,这样滑冰就将踝关节肌群的力量“扼杀”,只靠膝关节和髋关节肌群来“干活”了。克莱普冰刀的巧妙构思是,将冰刀的前刀托用铰链和冰鞋连接,后刀托可以和冰鞋随时分离。其核心价值在于“解放”脚踝,使运动员在重心前移时,后刀托与鞋跟自动脱开,于是踝关节、跖关节都可以在蹬冰最后阶段自由伸展,并依然保持冰刀“全刃着冰”。膝关节力量也因此得以更充分发挥。克莱普冰刀实际上将传统冰鞋足部绕刀尖转动变为绕脚掌转动,身体“重臂”为之缩短,同时克服了蹬冰时重心主要横向移动的弊端,使身体重心能够纵向前移。统计表明,克莱普冰刀能将中长距离比赛的滑行速度提高5%,平均每圈400米要快1秒到1.5秒。

皑皑白雪从来是诗人画家灵感和巧思的源泉,也是冬季奥运会高洁而素雅的底色。而滑雪板则是运动员必不可少的基本装备。人在双脚站立时,对地面的压强约15000帕,行走在积雪没胫的原野上,每一脚都要把松软的雪压实,因此会消耗许多能量而“举步维艰”。滑雪板将踩雪面积增加了20倍,脚对雪的压强也减少到原来的20分之一,人便被这双“大脚板”托在雪的表面上而能够“畅行无阻”了。

clip_image010

滑雪板示意图

雪的表面也许是地球上最神奇的表面之一,固态、液态、气态的水在这里同时并存相互作用,形成复杂的物理特性。滑雪运动可以看成人-板系统重心转动和曲线运动的合成。高山滑雪是重力势能转化为动能的直接演示,体重大的运动员单位体重受到的空气阻力更小,因此会滑得更快。大、小回转时不仅靠手中的雪杖像船篙一般改变行进方向,更要靠身体倾斜让滑雪板底面和雪面形成一个夹角。高速滑行的边刃“刻”入雪地后,“侧面切削”的横向摩擦力和滑雪板边缘相垂直,提供了人体曲线运动的向心力。新型的滑雪板头尾较宽,腰部较细,形如“沙漏”,施力后会形成一定弧度“引导”转弯。滑雪板越短,“板腰”越窄,转动半径就越小,没有弯曲变形的滑雪板是无法转弯的。现代滑雪板能在运动员跌倒后自动“脱扣”以策安全。而为了减小摩擦和保护滑雪板,“打蜡”从来是运动员必须掌握的重要技巧。

clip_image012

滑雪回转姿势

CM:人体质心 W:重力 Fload:雪面荷载 FN:荷载与重力的法向分力 Flat:荷载与重力的侧向分力 FC:离心力 Φ:人体倾角 α:雪面坡度

跳台滑雪是冬奥会中最壮观而刺激的项目。从100多米长的助滑道俯冲而下,37度的陡坡到末段急剧减小为11度左右的缓坡,运动员在起跳点以每小时100公里的速度腾空而起,展开又宽又长的滑雪板“飞行”约6秒钟,落在90米或120米处的K点。巍巍跳台虽然高达几十米,但运动员身体和地面相对高度却始终不过数米,斜坡的弧度和运动员在空中的抛物线轨迹大致平行。当运动员最后以极小的角度落地时,垂直于地面的冲击力远远小于三级跳远之类的田径项目,何况还有40厘米厚的雪层缓冲,难怪总会是“有惊无险”的。跳台滑雪既可看成一次人体的“下斜抛运动”,也可以看成一次“飞行物”的“起飞”和“着陆”。

clip_image014

跳台滑雪示意图

clip_image016

夏季“滑雪跳台”

如今风行世界的“夏季跳台”用特制瓷砖和喷水系统建造助滑道的滑轨,用摩擦力极小的弹性发泡塑胶铺设山坡的“着陆区”。不仅成为跳台滑雪运动员一年四季的训练基地,也成了吸引广大公众的旅游业新宠。

1932年2月普莱西德湖冬奥会的最大危机来自气候的反常,骤然升高的温度导致赛场冰雪消融,不少项目只能勉为其难在溏薄的残雪中进行,让运动员摔得鼻青脸肿。1964年因斯布鲁克冬奥会“万事俱备,只欠降雪”,在58年未遇的暖冬中,奥地利紧急动用军队从山顶运来2万立方米积雪“救场”。但开幕式前赛场又遭降雨破坏,一名奥地利滑雪运动员和一名英国雪撬运动员在训练中丧生。可见冬奥会成败的关键是“与天气合作”。到了1988年卡尔加里冬奥会,摄氏18度的熏风吹化了满场冰雪,致使赛程拖延了16天并搁置了不少项目。但多亏强大的人工造雪机支撑危局,使高山滑雪等能够继续进行。打从1980年普莱西德湖首次使用人工造雪,冬奥会已经开始改变完全“靠天吃饭”的宿命了。

clip_image018

大气中的水在摄氏0度下能以微小尘埃为“凝聚核”,结晶成六角轮廓、形态对称的美丽雪花。人工造雪便是对大自然降雪机制的粗略模拟,将水进行充分雾化后,通过高压泵和排风扇喷射到寒冷的空气中,让这些细小的水滴迅速结晶。科学家用细菌发酵生成的一种亲水蛋白作为理想的“凝聚核”添加到水中,不但能使水雾更快、更完全“落地成雪”,还能使结晶温度上升到摄氏2至3度。早期“雪炮”喷射出来的“雪”其实是微小的冰粒,随着科学技术的发展,人工造雪已经越来越接近于自然界的雪花了。

clip_image020

clip_image022

美丽的雪花 A 空气 B水 C雾化水 D冰晶 E -2°C气温 F人造雪

奥运会对人工造冰技术的应用要早得多。1908年伦敦奥运会花样滑冰便在人工冰场举行。1988年卡尔加里冬奥会首次建造了全封闭的室内速滑体育馆。各式各样的人工冰场在当今世界已经随处可见。人工冰场的制冷原理和家用电冰箱大同小异。我们都知道一个标准大气压下,水会在100摄氏度时沸腾并吸收大量热,而沸点为-29.8度的氟利昂在电冰箱内的蒸发器中“沸腾”同样会带走大量热使冰箱制冷,然后压缩机将低温低压的气态氟利昂变成高温高压蒸汽送进散热器,在这些“暖气片”中放出热量重新变成高压常温的液态氟利昂并开始下一轮循环。我们不妨把人工冰场看成一个敞开的、摊平的、放大的电冰箱。这里代替氟利昂的制冷剂常常是沸点为-33.4摄氏度的氨,将高压下的液态氨送到冰场水泥层的密集排管中汽化,再将带走的热量散发到外部环境,人工冰场便能“地冻三尺”了。人们很早就发现在积雪的道路上撒盐能加快雪的融化,试验表明,氯化钠溶液在浓度为23%的“共晶点”时凝固点最低,为-21.1摄氏度。而浓度为30%的氯化钙凝固点为-51.6摄氏度。因此现代人工冰场更多用低温盐水或乙二醇作“载冷剂”,流过水泥层网管“间接制冷”,取代氨的直接蒸发。

clip_image024 clip_image026

电冰箱工作流程A,蒸发室 B,压缩机 人工冰场剖面图

C,冷凝器

实际工艺自然要复杂得多。“一层摞一层”的冰自下而上涂饰成白色衬底,喷绘出鲜明的场地画线和图标广告,再由8至10层薄冰紧密构成4厘米厚的运动冰面。冰球运动需要较“硬”的冰场,冰面温度以-5摄氏度为宜,速滑则要求冰面温度在-2至-3摄氏度之间。冰场的热负荷计算,热交换控制和日常维护管理都少不了专门的里手行家。

至于那些“横空出世”的雪橇滑道,也可以视为拉长、卷曲、弯环、陡峻的人工冰场。1600米滑道的水泥结构从底槽到护墙布满了钢铁的“末梢血管”,千余吨氨水如同神奇的“冷血”,沿着中心机房伸出的“动脉”“静脉”循环不息,维持着这条“玉龙”零下11摄氏度的“体温”。计算机网络和几十个传感器随时监控滑道上的微小变化。由于工程浩大和造价昂贵,目前全世界仅有12条人工冰橇滑道。

clip_image028

工人在修建雪橇滑道

最令人叹服的景观要数阿联酋名城迪拜的超级室内滑雪场了。这个气温高达60摄氏度的火炉国家从来与冰雪无缘,如今却拥有了相当于三个足球场大小的“冰雪世界”,供千余人同时滑冰滑雪。“一片冰心”的设计者靠着高科技手段造就了炽热沙漠中的“阿尔卑斯”。

clip_image030

迪拜冰雪世界

也许我们总有一天能建造更多“环球同此凉热”的人工冰雪场,但作为奥运会的“半边天”,冬奥会大概永远只会在地球高纬度地区的冬季举行。我们的行星因为四季轮回而美丽可爱,冬奥会也是人类在倾诉对大自然的欣赏与感激。

clip_image032

上一篇:五环旗下的马蹄声(下)

0
相关文章

4 Responses to “看完热闹看门道——奥运中的科学(三十四)”

  1. 长河说道:

    我正在期待着冬奥会在中国举办呢!那样就真能在家门口看奥运喽~

  2. 醉鄉子说道:

    插图真漂亮!

  3. [...] 看完热闹看门道——奥运中的科学(三十四) [...]

  4. [...] 冬奥会中的科学有很多,比如滑雪、速滑、冰橇中的科学和跳台滑雪中的科学,要是加上夏季奥运会的话就更多。 [...]