其他
冬奥会里的趣味科学
点击上方蓝字“返朴”进入主页，可关注查阅往期文章
2008年北京奥运会期间，赵致真老师和《科技之光》团队曾经制作了35集大型系列电视片《科技与奥运》，在央视体育频道播出，同时出版了相应图书，获广电总局科技创新奖，并受到国家科委和北京奥组委表彰。其中《冰雪盛会》一集，讲述了冬季奥运会中的诸多科学知识，展示了丰富而珍贵的历史画面。
时值北京冬奥会，我们有幸取得作者授权，对该片的文字和视频予以转载，迎接这场举世瞩目的冰雪盛会。
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。
1908年伦敦奥运会上，德国运动员安娜·赫布勒和海因里希·博格获双人滑冰金牌丨来源：List of 1908 Summer Olympics medal winners
1924年2月3日法国《小日报》封面，庆祝夏蒙尼首届冬奥会开幕丨来源：Le Petit Journal illustré
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纪录为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。
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。
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。
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。
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。
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：雪面坡度丨来源：科技之光
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”。
跳台滑雪示意图丨来源：Nordic Skiing: Ski Jumping，科技之光
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橇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。
1964年奥地利军队为冬奥会运雪丨来源：When the Austrian Army Saved the Winter Olympics
大气中的水在0摄氏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2至3摄氏度。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。
A 空气 B水 C雾化水 D冰晶 E -2°C气温 F人造雪丨来源：adventure. howstuffworks，科技之光
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。
电冰箱工作流程，A,蒸发室，B,压缩机，C,冷凝器丨来源：How Refrigerators Work，科技之光
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。
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”。
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。
自由式滑雪的空中翻腾丨来源：centros.edu.aytolacoruna.es
本文经授权转载自微信公众号“科学元典”。
相关阅读
近期推荐
4 麻省理工华人教授陈刚迎来美司法部撤诉，要求国会彻查“中国行动计划”
特 别 提 示
1. 进入『返朴』微信公众号底部菜单“精品专栏“，可查阅不同主题系列科普文章。
2. 『返朴』提供按月检索文章功能。关注公众号，回复四位数组成的年份+月份，如“1903”，可获取2019年3月的文章索引，以此类推。
↓↓返朴书单，点击购买↓↓
长按下方图片关注「返朴」，查看更多历史文章