奥运“冰雪之战”有智慧

2022-05-05本刊综合

发明与创新 2022年15期

关键词：雪车钢架冰壶

◎本刊综合

冰墩墩、雪如意、大跳台、最快的冰……当看到这些词的时候，你第一时间想到了什么？是不是和小编一样，想到了2022年北京冬奥会呢？

第24届冬季奥林匹克运动会（即2022年北京冬奥会）于2月4日至2月20日在北京举行，吸引了全世界人们的目光。

这场“冰雪之战”看点十足：“飞扬”火炬如丝带飘绕，可谓“永不熄灭”；“水立方”摇身变成“冰立方”，“双奥场馆”为运动员提供全新的冰上体验；运动员在“冰丝带”“最快的冰”上轻盈地滑过，不断打破纪录……这些都具有满满的科技感、满满的知识点。

你知道吗

世界上首个“双奥之城”是哪座城市？

它是我国的首都北京。北京是世界上首个既举办了夏季奥运会又举办了冬季奥运会的城市。“双奥场馆”即在这两次奥运会上都投入使用的场馆。

火炬篇激情“飞扬”

“飞扬”火炬自上而下从祥云纹样过渡到剪纸风格的雪花图案，旋转上升，如丝带飘舞。它的外壳采用重量轻、耐高温的碳纤维材料。燃烧罐也以碳纤维材质为主。

“飞扬”火炬以氢为燃料，实现了燃烧的零排放，且在极寒天气中能正常使用，并可抗10级风，可谓“永不熄灭的火炬”。

火炬传递也融入了不少科技元素。以人机共融等方式实现跨域传递。火炬交接时，两支火炬的顶部紧密相扣，如两只手相握，象征不同文明交流互鉴。

图1 2022年北京冬奥会火炬（图/新华社记者张涛摄）

场馆篇 “冰”家族与“雪”家族

2022年北京冬奥会场馆的昵称都与冰、雪有关，藏着中国式浪漫。比如：国家跳台滑雪中心的昵称为“雪如意”；国家雪车雪橇中心的昵称为“雪游龙”；国家速滑馆的昵称为“冰丝带”，外墙上镶嵌着由玻璃制成的22道装饰条，宛如晶莹剔透的冰雪外衣。

“水冰转换”不简单

“冰立方”（国家游泳中心）可是奥运会上的“老面孔”，它是由2008年北京奥运会的场馆“水立方”转换而来，是2022年北京冬奥会冰壶项目的比赛场地。

图2 雪中的“冰立方”（图/新华社记者黄孝邦摄）

图3 “冰立方”冰上运动中心内景（图/新华社）

图4 “冰丝带”拥有亚洲最大的冰面（图/新华网）

“水立方”改造成“冰立方”并非机械性的转换，而是在保有“水立方”水上功能的基础上新增冰上功能。也就是在比赛大厅中部，通过搭建可转换架体、安装可拆装制冰系统形成具有4条标准赛道的冰壶场地。

在游泳池上“搭架子”并不是一件容易的事。设计团队在尝试了木头、钢筋等多种材料后，最终选择了钢结构加轻质混凝土预制板结构体系。

可转换钢结构由2600根3米高、2米长的薄壁H型钢搭建而成，每根梁柱装有柱脚，每个连接点装有可拆卸高强度螺丝，确保钢架坚固结实。

冰壶比赛对现场环境要求极高，如果比赛场馆未能有效密封，湿热空气进入赛场，就会造成冰面起雾，影响比赛。所以，设计团队对场馆进行了改造，增加了除湿系统、吸声材料、室内外空气隔离设施等。

“水立方”变身“冰立方”的关键环节还是制冰。场馆采用制冰机组“两用一备”的方案，即赛场旁边有两组管道，一进一出形成回路，制冰基础层上有序地铺装着制冰排管，室外制冷机组相当于“心脏”。打开制冰机组使其运行，将载冷剂通过管道循环输送至制冰场，保证赛场制冰顺利进行。

世界第一“冰丝带”

国家速滑馆是2022年北京冬奥会北京赛区唯一新建的冰上竞技场馆，如同一条冰雪织就的丝带。别看它现在如此美丽，当初建造的时候可是费了不少力气。

“冰丝带”的主要屋顶结构是目前世界体育场馆中规模最大的单层双向正交马鞍形索网屋面，长跨约200米，短跨约130米。它的核心部件是一种叫“高钒密闭索”的零件。起初计划建造时，国内还没有这种部件。建设团队自主创新，仅用3个月就突破了瓶颈，掌握了技术核心，实现了高钒密闭索国产化，创新性地采用索网结构体系。

“冰丝带”采用全冰面设计，1.2万平方米的冰面创下了亚洲之最。冰面分区域控温，冰面下犹如千层糕，从下向上铺设加热层、防潮隔汽层、保温层、隔离层、防水层、滑动层、混凝土冰板层……整整9层。

冰雪篇就是不一样

说起2022年北京冬奥会，那自然离不开主角冰与雪。

不同赛事用不同的冰

“冬奥冰”的制作并不简单，不仅要做到形成时间快、表面光滑，还需满足不同比赛项目对冰面温度、厚度等的不同需求。

短道速滑需要“最快的冰”，这就要求冰面厚度为3厘米到5厘米，冰面温度为-7 ℃至-6 ℃。

短道速滑冰道每圈为111.12米，被称为“大道”的速度滑冰冰道周长要比它长得多，为400米。所以，“大道”要求冰面厚度在2.5厘米到3厘米之间，冰面温度为-9 ℃至-5 ℃ 。

被誉为“冰上舞蹈”的花样滑冰对冰面厚度要求为6厘米到7厘米，冰面温度要求为-4 ℃至-3 ℃。

冰球与冰壶比赛要求冰面温度在-6 ℃，且冰面极为平整。在冰壶比赛中，冰面1毫米的平整度偏差都会对冰壶的走向产生很大影响，进而影响运动员发挥。

打造“最快的冰”

由于二氧化碳做制冷剂不但无毒，而且环保，不会破坏臭氧层，所以被运用于制冰。2022年北京冬奥会北京赛区共有15块冰面，其中7块采用了先进的二氧化碳跨临界直冷制冰技术。本次奥运会也成为历史上首次大规模使用二氧化碳制冷剂的奥运会。

采用二氧化碳直接蒸发制冷技术，制冷剂在地下预埋的盘管中进行热交换，不仅系统换热效率更高，还可将冰面温差控制在0.5 ℃以内，制成的冰也更加均匀，不会出现冰面各处温度不一样、冰面硬度不均匀的情况。

此外，相比传统的制冰技术，二氧化碳跨临界直冷制冰技术能将能效提升20%以上。制冰产生的余热经高效回收后可提供70 ℃热水，用于生活热水、冰面维护、场馆除湿等。

选用人造雪

充足的积雪是冬奥会顺利进行的基本条件。在依靠自然雪的年代，出现过老天“不给面子”，积雪不足以让冬奥会顺利进行的情况。而人造雪就可以改变冬奥会“靠天赏脸”的局面，化解主办地无雪、少雪的尴尬。

随着奥运会各项赛事更加公平公正化和标准化，对竞技场地的雪量和雪质的要求更高。

自然积雪的孔隙率高、密度小、强度低，物理特性多变，无法满足某些比赛用雪需求，且对运动员的成绩及滑雪的舒适感等都有影响。人造雪的雪层单一、性状稳定，在被压平整、注水后，更容易成为物理性质一致的雪道，保证运动员在公平公正的条件下展开竞技。

2022年北京冬奥会不仅选用人造雪，还根据不同比赛项目对场地的不同需求造出了9种不同型号的雪。

装备篇完美“战衣”

要想取得好成绩，少不了完美装备的辅助。2022年北京冬奥会上，我国奥运健儿的“战衣”集减阻、防护于一体，包含了很多高科技元素。

竞速类项目追求“快”，那么比赛服就要考虑减阻。短道速滑比赛服采用空气湍流控制减阻和边界滑移减阻技术，表面为凹坑结构，将空气迅速导流，相比普通滑冰服，减阻力能提升5%～10%。整体采用新型的高弹防切割面料，由单向防切割升级为双向防切割，在保持弹性的基础上，防切割性能提高了20%～30%，给运动员提供全方位的防护。

图5 2月7日，任子威（左）与队友武大靖（中）在比赛(图/新华社记者杨磊摄）

高山滑雪训练防护服采用新型抗冲击结构和新型吸能缓震材料，使高山滑雪运动员在穿越旗门时免受伤害。

运动项目篇百问百答

我们要想看懂冬奥会，关于竞赛项目的知识可一定要掌握哦。下面进入问答环节，看看谁能又快又准地回答出所有的问题。

1.冬奥会有哪些竞赛项目？

冬奥会竞赛项目共有7大项和15个分项。7个大项为滑冰、冰球、冰壶、滑雪、冬季两项、雪车和雪橇。15个分项为高山滑雪、自由式滑雪、单板滑雪、越野滑雪、跳台滑雪、北欧两项、短道速滑、速度滑冰、花样滑冰、冰球、冰壶、雪车、钢架雪车、雪橇和冬季两项。

2.2022年北京冬奥会新增了哪些比赛项目？

本次冬奥会新增了7个小项：女子单人雪车、短道速滑混合团体接力、跳台滑雪混合团体、自由式滑雪大跳台（男子、女子）、自由式滑雪空中技巧混合团体和单板滑雪障碍追逐混合团体。

3. 最具“反差萌”的项目是什么？

冬季两项，它是越野滑雪和射击相结合的运动，由远古时期猎人滑雪狩猎的活动演变而来。运动员在滑行时需要在指定的位置完成射击动作，堪称“静如处子，动如脱兔”。

4.为什么冰球是扁的，而不是圆的？

冰球由英文ice hockey翻译而来，hockey又译为曲棍球，所以，ice hockey的中文名称就变成了冰球。

为了快速锁定冰球的位置，冰球通常是黑色的，外形酷似象棋，和人们想象中的球类完全不一样。

从科学的角度来讲，冰球上下两个平整的表面可以完全与冰面接触，增加滑动时的摩擦力，能在冰面上更稳地“行走”，运动员也可以很好地控制它。

5.钢架雪车、雪车和雪橇有什么不同？

钢架雪车、雪车、雪橇三个项目有相似之处，均在延庆赛区的国家雪车雪橇中心进行，比赛使用同一个赛道，而且雪车和钢架雪车共用一个起点。

钢架雪车被称为“冰上俯冲机”，它和雪橇都只有底座，没有外壳，而被称为“冰上F1”的雪车是有外壳的，更像车。雪橇和钢架雪车没有转向和制动装置，而雪车车体是配备转向和制动装置的。雪橇是通过前后摆动及耙冰获得初始速度，而雪车和钢架雪车是通过奔跑推动车体而获得初始速度。雪橇需要运动员躺着滑，雪车需要运动员坐着滑，而钢架雪车需要运动员趴着滑。