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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。

“历届奥运会曾经使用过火药、硫磺、树脂、萘、橄榄油、四氮六甲圜做火炬的燃料。”

圣火不灭

历届奥运会最宏大的格局和最壮阔的场景,莫过于举世瞩目的开幕仪式了。这是一个时代人类社会组织能力和文明水准的标志。而点燃圣火则是开幕式的“点睛之笔”。随着主体育场美丽的火焰冲天而起,“奥运之龙”便“破壁而飞”了。

难道是原始祖先进行群体活动时围着的那堆篝火,今天仍在奥运赛场上照耀着我们?人类使用火的历史可以追溯到100万年之前,是火启动了人类的全部文明,甚至造就了人类本身。普罗米修斯是唯一因为“偷盗”而受到顶礼膜拜的英雄,而钻木取火的燧人氏则更加朴素和接近真实。古奥运会风尘仆仆的火炬手在伯罗奔尼撒城邦间宣示“神圣休战”的消息,现代奥运会的火炬则是1928年在阿姆斯特丹体育场正式点燃的。1936年柏林奥运会后,火炬接力传递便成了每届奥运会的先声和序曲。人们为此倾注了无限智慧、心血和情感,冀望于和平、团结、友爱的奥林匹克精神在全世界薪火相传。

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1936年柏林奥运会火炬接力

奥林匹亚的赫拉神殿是奥运圣火永远的故乡。高雅美丽的希腊少女在这里用日光点燃第一支火炬,这种古老的取火方式能唤起我们许多遥远的记忆。传说中阿基米德曾经发动希腊百姓用镜子反射日光烧毁敌人的战船,中国人在西周时期便发明了阳燧,崔豹在《古今注》中描述道:“阳燧,以铜为之,形如镜,照物则影倒,向日则火生,以艾炷之则得火。”今天奥林匹亚女祭司们为奥运会采集圣火的“锅”,应该是中国古代阳燧的“升级版”。

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中国古代阳燧 阿基米德的”日光武器”

当抛物线沿着对称轴旋转,就能得到一个抛物面。这便是“取火器”的几何形状。平行光线经过反射后能被抛物面“聚焦”,使镜面接收到的辐射能量高度集中。我们知道,太阳从1亿5千万公里外把光线投向地球,大气层顶端与阳光垂直的每平方米面积便接受1368瓦的辐射能,称为太阳常数。由于大气和云层遮挡,阳光来到地面后的照射强度会降低,不同纬度和季节的日照也有很大差异。点燃圣火的镜面必须有足够的采光面积并对准太阳,使焦点部位的温度达到火炬的着火点。这也是为什么遇到阴天圣火无法点燃时,就只能启用晴朗天气预先采好的火种了。从日常生活中的太阳灶到碟形卫星天线和反射式天文望远镜,我们时常能看到大大小小抛物面在“仰天张望”。而探照灯则把光源放在抛物镜面的焦点上,从而投射出平行光线。

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圣火采集

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抛物面

今天人类社会使用能量的90%以上仍来自燃烧。不管奥运圣火如何“神圣”,要在地球上燃烧就必须满足三个要素。那便是燃料、助燃剂和温度,人称“火三角”。1772年,法国化学家拉瓦锡第一次揭示了火的秘密,提出可燃物质的氧化学说。燃烧是强烈放热和发光的快速化学反应过程,高于着火点的温度使燃料“强迫着火”,引起分子的化学键断裂,在燃烧区内和助燃剂发生原子间的交换和重组,放出的热量使氧化反应在点火源移走后能够继续“自持”进行。奥运火炬不能像实验室里的本生灯那样“有热无光”而应该鲜艳明亮。历届奥运会曾经使用过火药、硫磺、树脂、萘、橄榄油、四氮六甲圜做火炬的燃料,柏林、伦敦、墨尔本奥运会进入主体育场的火炬燃料都选择了金属镁,虽然能发出炫目的光辉,但火星四溅以致烫伤运动员手臂的场面敦促着人们对火炬加以改进。1972年慕尼黑奥运会首次将24%丙烷和76%丁烷压缩成液态装在罐中做火炬燃料,此后液化气成了奥运火炬的上选。其实任何火焰中燃烧的物质都是气态。液体燃烧前必须先行蒸发,固体燃烧则是经过热解后释放出来的挥发成分参加反应。所以风中火焰的形状总是闪烁跳跃、飘忽不定了。按“恰当比例”完全燃烧的火焰是几乎无色的,正是火焰中的碳微粒如同千万个小小的“灯丝”辐射出光和热。浓烟则是燃烧中“残碳”过多的表征。

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火焰示意图

几乎每一届奥运会主办国都会搜索枯肠,奇计百出,让圣火传递不同凡响。除了迈开双腿奔跑,从自行车、独木舟、大篷车、汽车、火车、轮船到超音速协和飞机,从马背、骆驼、狗拉雪橇到跳台滑雪和空中跳伞,奥运圣火跨越千山万水的旅行也几乎穷尽了人类的运载手段。这里至高无上的使命是确保圣火历尽“八十一难”也不会熄灭,否则就要重新“回西天取经”了。1976年蒙特利尔奥运会,一场瓢泼大雨浇灭了奥林匹克体育场的主火炬,场地监督布歇耳情急之下掏出打火机“非法点燃”圣火的故事家喻户晓,这次熄火的真正原因是雨水将“火三角”中的温度降到了燃点以下。水是比热容仅次于氨的液体,每千克水升高1摄氏度要吸收1000卡热量,而水在100度汽化时吸收的热量是水从0度上升到100度所需热量的5倍,难怪消防部门把水当作最好的灭火材料了。2004年雅典奥运会,帕纳辛纳克体育场的大风吹熄了奥组委官员点燃的全球接力火炬,这是因为“火三角”中的“燃料”被风带走而来不及补充。因此火炬设计的基本原则是对“火三角”的巩固和加强。

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1996年亚特兰大奥运会火炬 2000年悉尼奥运会火炬

1996年亚特兰大奥运会火炬采用双火焰结构,燃气从储气罐中出来后“兵分两路”,一路“大火焰”在火炬顶端光芒四射并栉风沐雨,另一路“小火焰”躲在“大火焰”下面的“挡风墙”中“养精蓄锐”和“保驾护航”,使“主气流”随时受到“小火焰”不间断的点燃。2000年悉尼奥运会的火炬以65%的丁烷和35%的丙烷为燃料,利用火焰的回热管保温,克服液态燃料汽化吸热引起的燃料罐压力降低,并用极易散热的金属薄片制成火炬外壳防止雨水在上面汽化。根据测试,火炬在每小时65公里的大风和倾盆大雨中依然会熊熊燃烧。至于每届奥运会特别精心呵护的“圣火种子”安全灯,也正是营造了最安全的燃烧“小环境”,将“火三角”变成了“铁三角”。

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悉尼奥运会火炬水下传递 水下火炬示意图

水下火炬传递是悉尼奥运会大胆而浪漫的尝试,生物学家邓肯在大堡礁海域4米深的水下手擎火炬潜泳3分钟,创造了“水火交融”的一大奇观。为确保燃气在深水下顺利喷出并形成稳定的燃烧区,燃料罐内必须达到很高的压力,由于水下没有氧气助燃,火炬必须“自带”氧气和燃料进行预先混合,并点燃主要发光燃料镁。在地面上这种火炬燃烧温度超过2000摄氏度,亮度可达35000烛光。水下火炬的制造工艺虽然复杂,但基本原理并不难进行演示,中国科技大学火灾实验室就曾经重现了火炬在水下燃烧的过程。

进入航天时代的人类曾经按捺不住心中的豪迈和冲动,想把奥运火炬传递扩展到太空。1976年蒙特利尔奥运会就别出心裁,在雅典帕纳辛纳克体育场将来自奥林匹亚的圣火直接“传递”到北美大陆。这是一个特制的传感器用来收集火焰离子的全息信号并将能量进行储存,然后转化为声波信号代码,通过卫星传送到渥太华,再通过地面接收器将这些声波信号解调,最后转换成对应的激光束点燃起火焰。这一“高科技”手段虽然最近似“上帝的礼物”但却备受非议,前后仅仅5天的过程有负公众的长久期待,况且洲际间的传递失去了“火”的实体而只剩下“火”的信息,未免过于虚无飘渺并偏离圣火传递的初衷。1996年亚特兰大奥运会组织者的构思更现实得多,他们设想把火炬送上航天飞机,但出于安全考虑,美国宇航局只批准哥伦比亚号搭载熄灭的火炬。我们不妨设想,如果火焰真的在航天飞机上燃烧会是何等情景,失重环境下没有冷热气体的对流,火焰将不再是一条稳定向上的“火舌”,而会变成一团渐次膨大和黯淡的“火球”。

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1996年亚特兰大火炬在肯尼迪宇航中心 失重状态下的火焰

2008年北京奥运会火炬的最大“亮点”,是登上世界“第三极”珠穆朗玛峰。在海拔8844公尺的“世界屋脊”,温度常在零下40摄氏度,风速达到10级,含氧量仅为海平面的三分之一。但火炬凭着先进的回热功能,双火焰设计和燃料预混装置,完全能在如此恶劣严酷的自然条件下大放光明。而真正的困难在于火炬手和电视转播人员背囊负重跨越生命的极限,这是一个群威群胆的系统工程。当祥云火炬在地球之巅呼啦啦燃烧的时候,世界将见证奥运圣火传递史上又一个空前壮举。

奥运之火天上来,五洲万国走一回。我们不会忘记火是人类文明之源。洪荒时代的人类因为擎起了火炬而和动物分道扬镳,今天的人类格外珍惜奥运火炬的“长征”,这是千万双手在全世界传递温暖与光明。

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2008北京奥运会祥云火炬传递 和谐之旅号专机

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7 Responses to “看完热闹看门道——奥运中的科学(三十五)”

  1. chenbo说道:

    从本帖起,我终于可以看到插图了。哈,图文并茂的感觉很好。

    • 猛犸说道:

      啊!啊……

      请问您的浏览器是什么?哪个版本?是在本站看文章还是用Google Reader订阅的?您访问的域名是www.songshuhui.net还是songshuhui.net?

      盼复……这个问题很严重啊……

  2. ao89说道:

    感觉这篇太多初中物理知识了,十万个为什么的水平,像抛物镜面、水的比热都要来上一段…
    不过既然是公共出版物里的,也无可厚非了…

    我也能看到图,IE 6.0,牛博镜像,直接访问镜像页面提供的地址也能看到图。

  3. [...] 看完热闹看门道——奥运中的科学(三十五) [...]

  4. [...] 序言 (竞技体育运动的目标是更快、更高、更强,其中绝大部分都和力学有关) 科技伴奥运同行(从某种意义上说,体育的竞争就是高科技的竞争) 撑竿跳的变迁(撑杆跳高演变的历史讲述了新兴材料如何将这项古老运动推向峰巅) 横杆下“钻”过去的跳高(明天会不会有新的跳高技术问世还很难逆料) 力量的飞翔(无论标枪、铁饼、铅球、链球,牛顿力学始终主宰着赛场上的一切。) 让重心“一路平安”(在许多运动项目里都需要尽量保持重心的匀速直线性。) 跑道春秋(和当年的前辈们相比,今天运动员的双脚已经踏在完全不同的地面上了。) 运动在“空气海洋”底部(奥运百年间,我们的无限心血和亿万财富都是为了对付“空气”而花费的。) 漫长的奔跑(马拉松的深刻隐喻本来在于克服距离对信息的障碍) 劈波斩浪走蛟龙(游泳时的三大阻力并非一成不变,总阻力基本和速度的平方成正比。) 美丽的“溅落”(离开跳板时只做前后翻滚的运动员却能在此后“凭空创造”出围绕身体纵轴的旋转。) 中流击水看飞舟(船体形状、材质和吃水的“湿面积”都是工程师殚精竭虑的课题。) 直挂云帆济沧海(当今帆船最高速度已经十分接近于公认的50节极限。) 体操ABCDE(当复杂而高速的空中运动在大约0.1秒间嘎然变成地上完全的静止状态,重力和翻转产生的冲击可达到体重的10多倍。) 靶场风姿(在“枪林弹雨”的射击场上,随机干扰因素很多,最宝贵的品格是气定神闲和心无旁骛。) 射箭的弦外之音(作为高效率的“能量转换器”,弓能够把70%至80%的弹性势能转化为箭的动能,“剩余”的能量则变成弓的阻尼震动。) 大力士的运动 (举重选手最动人的姿态要数高高举起杠铃的瞬间了,如果说双臂形成的V字象征胜利,那么这种V型姿势确实和胜利大有关系。) 自行车源流(自行车只有两个轮子却可以不倒,其中的道理曾引起人们长期的推究。这是一个可控制运动的稳定问题。) 从香蕉球说开去(球的旋转必然带来飞行轨迹的弯曲,旋转和曲线共存,这大约可以视为球类运动的一个通则。) 话说网球(随着网球拍制作技术提高和头部面积增加,“甜区”也不断扩大,让当代运动员尝到不少“甜头”。) 羽球穿梭(看来当我们说羽毛球是速度最快的球时,还应该加上一句,羽毛球也是减速最快的球。) 乒乓球的前世今生(上)(没有一种球像乒乓球那样,将花样百出的旋转作为常规技术形态和基本“杀伤”手段。) 乒乓球的前世今生 (下)(和21分制之相比,11分制意味着更多的“偶然性”。) 格斗的艺术(一个引人入胜的实事是,“左撇子”运动员在对抗性竞技中具有不容置疑优势。”) “软硬兼施”的护身术(体育的终极意义在于强健体魄和增进健康,运动中人的安全越来越成为现代文明重要的价值取向。) 运动鞋的功勋(今天的体坛明星有福了,许多厂商争相为他们量脚定做“独一无二”的运动鞋。) 运动场上的“时间简史”(因此哪怕起跑确实在枪响以后,但只要时间少于0.1秒便可认定为抢跑。) 明察秋毫谈测距(如何更快捷、准确、可靠地丈量距离,是体育运动的持久课题) 球场变革始于足下(聚乙烯、聚丙烯草株即使近距离熟视和伸出手触摸都和天然草并无二致。) 泳池哪得清如许(2008年北京奥运会的国家游泳中心“水立方”也许称得上当代科技与艺术的结晶。) 体育场馆拾零(让我们把眼光离开运动场上那些高精尖的”前沿科技”,去观察一下许多司空见惯的“鸡毛蒜皮”,同样会发现有趣的知识。) 五环旗下的马蹄声(上)(在所有哺乳动物中,马的眼睛是最大的,虽然看去炯炯有神,但视力却只有0.6左右并且对颜色十分迟钝。) 五环旗下的马蹄声 (下)(可以预言,100年后的人类社会仍将“马照跑”。但人和马的关系大约还得调整。) 冰雪盛会(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。) 圣火不灭(历届奥运会曾经使用过火药、硫磺、树脂、萘、橄榄油、四氮六甲圜做火炬的燃料。) 奥运金牌之路(计算机的应用使体育训练真正从传统的经验型转为定量的科学型,大大缩短了优秀运动员“脱颖而出”的周期。) 后记 标签:专辑, 奥运, 新探索, 科学松鼠会, 科技, 科技之光 [...]

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