冬奥会里的趣味科学

赵致真

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年英国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年法国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”为第一届冬季奥运会。

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，因为冰雪是固态的水。尽管地球表面71%被水覆蓋，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，加拿大选手沃瑟斯庞以34秒03的成绩创造了500米速滑世界纪录，平均速度达到14.69米每秒。牙买加选手鲍威尔同年创造的男子百米短跑世界纪录为9秒74，平均速度10.27米每秒。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。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相邻的分子所“固定”，而表面水分子只能与“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。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”能够更好地控制急转骤停。

在1998年日本长野冬奥会上，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“拖板鞋”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，这样一来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地发挥。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1～1.5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。滑雪板则是运动员必不可少的基本装备。人在双脚站立时，对地面的压强约为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存在并相互作用，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。为了减小摩擦和保护滑雪板，“打蜡”是运动员必须掌握的重要技巧。

跳台滑雪是冬奥会中最壮观和刺激的项目。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100千米每小时的速度腾空而起，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”。

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，也成了吸引公众的旅游业新宠。

1932年美国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年奥地利因斯布鲁克冬奥会因“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年加拿大卡尔加里冬奥会，18℃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。自从1980年普莱西德湖冬奥会首次使用人工造雪，冬奥会已经开始改变完全“靠天吃饭”的宿命了。

大气中的水在0℃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。科学家将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、更完全地“落地成雪”，还能使结晶温度上升到2℃至3℃。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。

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项目便在人工冰场举行。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℃时沸腾并吸收大量热，而沸点为-29.8℃的氟利昂在电冰箱内的蒸发器中“沸腾”同样会带走大量热，从而使冰箱制冷。

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℃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。

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8～10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℃为宜，速滑则要求冰面温度在-2℃至-3℃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行家里手。

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”-11℃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，全世界仅有为数不多的几条人工雪橇滑道。

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℃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。