冬奧會里的趣味科學

趙致真

比起赤日炎炎、熱力四射的夏季奧運會，冰天雪地、銀裝素裹的冬季奧運會別有一番韻致和風光。這里是潔白如玉的征途，晶瑩如鏡的賽場，“斷橋危立”的跳臺，陡峻盤曲的滑道。腳踩冰刀和滑雪板的健兒們馳騁如風、將飛欲翔；駕馭雪橇的勇敢者則創造了陸地極限速度，被譽為“冰上一級方程式”。

1908年英國倫敦奧運會便首次設立了花樣滑冰項目，但早期奧運會“夏行冬令”的確勉為其難。1924年法國巴黎奧運會將冰雪項目的比賽提前半年在夏蒙尼舉行并稱之為“第八屆奧林匹亞國際體育周”，此后被國際奧委會“追認”為第一屆冬季奧運會。

當“白色奧運”從“附庸地位”到另立門戶，五環旗交替飄揚在地球上寒暑分明的兩個季節時，奧運會就更加色彩絢爛和充實完整了。

要說冬奧會是一種“水上運動”也不為錯，因為冰雪是固態的水。盡管地球表面71%被水覆蓋，并且有2%的水體以冰的形式存在，我們對于水和冰的認識卻仍然相當膚淺，包括人在冰雪上運動的復雜力學關系。

2007年，加拿大選手沃瑟斯龐以34秒03的成績創造了500米速滑世界紀錄，平均速度達到14.69米每秒。牙買加選手鮑威爾同年創造的男子百米短跑世界紀錄為9秒74，平均速度10.27米每秒。可以說，滑冰是人類靠著雙腳在地球表面上移動的最快方式。

關于滑冰的記載可以追溯到4000多年前的斯堪的納維亞半島。將鹿和牛的脛骨、肋骨綁在腳上，這就是冰鞋最早的雛形。1250年，鑲嵌在木板上的鐵制冰刀在荷蘭出現。1572年蘇格蘭人發明的第一雙全鐵冰刀則是現代冰刀誕生的標志。

為什么冰刀不能在水泥、玻璃、鋼板上滑行，卻能在冰面上翔舞自如、“游刃有余”呢？

許多文章和教科書已經告訴我們，首先由于冰刀的壓力使冰的熔點降低，同時由于摩擦生熱，導致接觸點的冰迅速融化，于是產生了一層薄薄的水膜，在冰刀和冰面間起潤滑作用。也有不少科學家始終質疑這一解釋，認為僅憑冰刀的壓力和運動的摩擦遠不足以使冰面融化。

近年來的研究已經證實，冰即使在環境溫度遠遠低于熔點的情況下，表面也會形成厚度由幾個水分子到幾千個水分子構成的液態層。這是因為，冰層內的每個水分子都被上下左右相鄰的分子所“固定”，而表面水分子只能與“下層”分子連接，垂直振動速度更快，于是失去穩定的晶體結構，即使在遠遠低于熔點的溫度下也會表現為“半液體”狀態。這一發現的重大意義在于，冰的“光滑”主要是自身的天然屬性，而不是來自外力的作用。

滑冰無疑是最舒展流暢、輕盈靈巧的運動，身體蹲屈，兩腿交替，蹬冰、收腿、下刀、滑進，運動員流星般掠過冰面，身后留下美麗的弧線。滑行時我們追求最小的阻力，但蹬冰獲得動力時，又需要有最大的阻力。因此身體重心所在腳的冰刀長軸必須與前進方向一致，蹬冰腳的用力方向卻要與冰刀長軸垂直，靠鋒利的刀刃“切入”冰層去“啃冰”。

和菜刀的刀刃大相徑庭，冰刀的刀刃是一個拱形的凹槽。中長距離速滑冰刀要保持較好的直線性，因此刀身較長；短道速滑冰刀的刀身相對較短并較高，以便于在彎道上弧線前進和傾斜度很大時冰鞋不會接觸冰面。冰球運動員左奔右突，花樣滑冰運動員翻騰跳躍，對靈活多變的要求勝過對直線速度的要求，因此冰刀的刀身短、刀刃利、刀槽深，前端一排“鋸齒”能夠更好地控制急轉驟停。

在1998年日本長野冬奧會上，速度滑冰的世界紀錄幾乎全部被打破，接著在2002年美國鹽湖城冬奧會上，所有世界紀錄又再次被刷新，導致這場“冰上革命”的直接原由，便是被運動員戲稱為“拖板鞋”的克萊普冰刀。

我們在奔跑和跳躍時，髖關節、膝關節、踝關節的肌群能按照自然順序協同工作。但在傳統的滑冰動作中，由于冰鞋和冰刀前后兩端固定，完成蹬冰動作時如果伸展踝關節就會招致刀尖“刨冰”，輕則增加阻力，重則失去平衡，因此必須控制踝關節跖屈，并將“鎖踝”作為技術要領，這樣一來就將踝關節肌群的力量“扼殺”，只靠膝關節和髖關節肌群來“干活”了。

克萊普冰刀的巧妙構思是，將冰刀的前刀托用鉸鏈和冰鞋連接，后刀托可以和冰鞋隨時分離。其核心價值在于“解放”腳踝，使運動員在重心前移時，后刀托與鞋跟自動脫開，于是踝關節、跖關節都可以在蹬冰最后階段自由伸展，并依然保持冰刀“全刃著冰”，膝關節力量也因此得以更充分地發揮。克萊普冰刀實際上將傳統冰鞋足部繞刀尖轉動變為繞腳掌轉動，身體“重臂”為之縮短，同時克服了蹬冰時重心主要橫向移動的弊端，使身體重心能夠縱向前移。統計表明，克萊普冰刀能將中長距離比賽的滑行速度提高5%，平均每圈（400米）要快1～1.5秒。

皚皚白雪從來是詩人畫家靈感和巧思的源泉，也是冬季奧運會高潔而素雅的底色。滑雪板則是運動員必不可少的基本裝備。人在雙腳站立時，對地面的壓強約為15000帕，行走在積雪沒脛的原野上，每一腳都要把松軟的雪壓實，因此會消耗許多能量而“舉步維艱”。滑雪板將踩雪面積增加了20倍，腳對雪的壓強也減少到原來的20分之一，人便被這雙“大腳板”托在雪的表面上而能夠“暢行無阻”了。

雪的表面也許是地球上最神奇的表面之一，固態、液態、氣態的水在這里同時存在并相互作用，形成復雜的物理特性。滑雪運動可以看成人—板系統重心轉動和曲線運動的合成。高山滑雪是重力勢能轉化為動能的直接演示，體重大的運動員單位體重受到的空氣阻力更小，因此會滑得更快。大、小回轉時不僅靠手中的雪杖像船篙一般改變行進方向，更要靠身體傾斜讓滑雪板底面和雪面形成一個夾角。高速滑行的邊刃“刻”入雪地后，“側面切削”的橫向摩擦力和滑雪板邊緣相垂直，提供了人體曲線運動的向心力。新型的滑雪板頭尾較寬，腰部較細，形如“沙漏”，施力后會形成一定弧度“引導”轉彎。滑雪板越短，“板腰”越窄，轉動半徑就越小，沒有彎曲變形的滑雪板是無法轉彎的。

現代滑雪板能在運動員跌倒后自動“脫扣”以策安全。為了減小摩擦和保護滑雪板，“打蠟”是運動員必須掌握的重要技巧。

跳臺滑雪是冬奧會中最壯觀和刺激的項目。從100多米長的助滑道俯沖而下，37度的陡坡到末段急劇減小為11度左右的緩坡，運動員在起跳點以100千米每小時的速度騰空而起，展開又寬又長的滑雪板“飛行”約6秒鐘，落在90米或120米處的K點。巍巍跳臺雖然高達幾十米，但運動員身體和地面相對高度卻始終不過數米，斜坡的弧度和運動員在空中的拋物線軌跡大致平行。當運動員最后以極小的角度落地時，垂直于地面的沖擊力遠遠小于三級跳遠之類的田徑項目，何況還有40厘米厚的雪層緩沖，難怪總是“有驚無險”的。跳臺滑雪既可看成一次人體的“下斜拋運動”，也可以看成一次“飛行物”的“起飛”和“著陸”。

如今風行世界的“夏季跳臺”用特制瓷磚和噴水系統建造助滑道的滑軌，用摩擦力極小的彈性發泡塑膠鋪設山坡的“著陸區”。不僅成為跳臺滑雪運動員一年四季的訓練基地，也成了吸引公眾的旅游業新寵。

1932年美國普萊西德湖冬奧會的最大危機來自氣候的反常，驟然升高的溫度導致賽場冰雪消融，不少項目只能勉為其難在溏薄的殘雪中進行，讓運動員摔得鼻青臉腫。1964年奧地利因斯布魯克冬奧會因“萬事俱備，只欠降雪”，在58年未遇的暖冬中，奧地利緊急動用軍隊從山頂運來2萬立方米積雪“救場”。但開幕式前賽場又遭降雨破壞，一名奧地利滑雪運動員和一名英國雪橇運動員在訓練中喪生。可見冬奧會成敗的關鍵是“與天氣合作”。

到了1988年加拿大卡爾加里冬奧會，18℃的熏風吹化了滿場冰雪，致使賽程拖延了16天并擱置了不少項目。但多虧強大的人工造雪機支撐危局，使高山滑雪等能夠繼續進行。自從1980年普萊西德湖冬奧會首次使用人工造雪，冬奧會已經開始改變完全“靠天吃飯”的宿命了。

大氣中的水在0℃下能以微小塵埃為“凝聚核”，結晶成六角輪廓、形態對稱的美麗雪花。人工造雪是對大自然降雪機制的粗略模擬，將水進行充分霧化后，通過高壓泵和排風扇噴射到寒冷的空氣中，讓這些細小的水滴迅速結晶。科學家將用細菌發酵生成的一種親水蛋白作為理想的“凝聚核”添加到水中，不但能使水霧更快、更完全地“落地成雪”，還能使結晶溫度上升到2℃至3℃。早期“雪炮”噴射出來的“雪”其實是微小的冰粒，隨著科學技術的發展，人工造雪已經越來越接近于自然界的雪花了。

奧運會對人工造冰技術的應用要早得多。1908年倫敦奧運會花樣滑冰項目便在人工冰場舉行。1988年卡爾加里冬奧會首次建造了全封閉的室內速滑體育館。各式各樣的人工冰場在當今世界已經隨處可見。人工冰場的制冷原理和家用電冰箱大同小異。我們都知道，一個標準大氣壓下，水會在100℃時沸騰并吸收大量熱，而沸點為-29.8℃的氟利昂在電冰箱內的蒸發器中“沸騰”同樣會帶走大量熱，從而使冰箱制冷。

我們不妨把人工冰場看成一個敞開的、攤平的、放大的電冰箱。這里代替氟利昂的制冷劑常常是沸點為-33.4℃的氨，將高壓下的液態氨送到冰場水泥層的密集排管中汽化，再將帶走的熱量散發到外部環境，人工冰場便能“地凍三尺”了。

實際工藝自然要復雜得多。“一層摞一層”的冰自下而上涂飾成白色襯底，噴繪出鮮明的場地畫線和圖標廣告，再由8～10層薄冰緊密構成4厘米厚的運動冰面。冰球運動需要較“硬”的冰場，冰面溫度以-5℃為宜，速滑則要求冰面溫度在-2℃至-3℃之間。冰場的熱負荷計算、熱交換控制和日常維護管理都少不了專門的行家里手。

至于那些“橫空出世”的雪橇滑道，也可以視為拉長、卷曲、彎環、陡峻的人工冰場。1600米滑道的水泥結構從底槽到護墻布滿了鋼鐵的“末梢血管”，千余噸氨水如同神奇的“冷血”，沿著中心機房伸出的“動脈”“靜脈”循環不息，維持著這條“玉龍”-11℃的“體溫”。計算機網絡和幾十個傳感器隨時監控滑道上的微小變化。由于工程浩大和造價昂貴，全世界僅有為數不多的幾條人工雪橇滑道。

最令人嘆服的景觀要數阿聯酋名城迪拜的超級室內滑雪場了。這個氣溫高達60℃的“火爐國家”從來與冰雪無緣，如今卻擁有了相當于三個足球場大小的“冰雪世界”，供千余人同時滑冰滑雪。“一片冰心”的設計者靠著高科技手段造就了熾熱沙漠中的“阿爾卑斯”。

也許我們總有一天能建造更多“環球同此涼熱”的人工冰雪場，但作為奧運會的“半邊天”，冬奧會大概永遠只會在地球高緯度地區的冬季舉行。

我們的行星因為四季輪回而美麗可愛，冬奧會也是人類在傾訴對大自然的欣賞與感激。