奧運“冰雪之戰”有智慧

2022-05-05 06:49:14本刊綜合

發明與創新 2022年15期

◎本刊綜合

冰墩墩、雪如意、大跳臺、最快的冰……當看到這些詞的時候，你第一時間想到了什么？是不是和小編一樣，想到了2022年北京冬奧會呢？

第24屆冬季奧林匹克運動會（即2022年北京冬奧會）于2月4日至2月20日在北京舉行，吸引了全世界人們的目光。

這場“冰雪之戰”看點十足：“飛揚”火炬如絲帶飄繞，可謂“永不熄滅”；“水立方”搖身變成“冰立方”，“雙奧場館”為運動員提供全新的冰上體驗；運動員在“冰絲帶”“最快的冰”上輕盈地滑過，不斷打破紀錄……這些都具有滿滿的科技感、滿滿的知識點。

你知道嗎

世界上首個“雙奧之城”是哪座城市？

它是我國的首都北京。北京是世界上首個既舉辦了夏季奧運會又舉辦了冬季奧運會的城市。“雙奧場館”即在這兩次奧運會上都投入使用的場館。

火炬篇激情“飛揚”

“飛揚”火炬自上而下從祥云紋樣過渡到剪紙風格的雪花圖案，旋轉上升，如絲帶飄舞。它的外殼采用重量輕、耐高溫的碳纖維材料。燃燒罐也以碳纖維材質為主。

“飛揚”火炬以氫為燃料，實現了燃燒的零排放，且在極寒天氣中能正常使用，并可抗10級風，可謂“永不熄滅的火炬”。

火炬傳遞也融入了不少科技元素。以人機共融等方式實現跨域傳遞。火炬交接時，兩支火炬的頂部緊密相扣，如兩只手相握，象征不同文明交流互鑒。

圖1 2022年北京冬奧會火炬（圖/新華社記者張濤攝）

場館篇 “冰”家族與“雪”家族

2022年北京冬奧會場館的昵稱都與冰、雪有關，藏著中國式浪漫。比如：國家跳臺滑雪中心的昵稱為“雪如意”；國家雪車雪橇中心的昵稱為“雪游龍”；國家速滑館的昵稱為“冰絲帶”，外墻上鑲嵌著由玻璃制成的22道裝飾條，宛如晶瑩剔透的冰雪外衣。

“水冰轉換”不簡單

“冰立方”（國家游泳中心）可是奧運會上的“老面孔”，它是由2008年北京奧運會的場館“水立方”轉換而來，是2022年北京冬奧會冰壺項目的比賽場地。

圖2 雪中的“冰立方”（圖/新華社記者黃孝邦攝）

圖3 “冰立方”冰上運動中心內景（圖/新華社）

圖4 “冰絲帶”擁有亞洲最大的冰面（圖/新華網）

“水立方”改造成“冰立方”并非機械性的轉換，而是在保有“水立方”水上功能的基礎上新增冰上功能。也就是在比賽大廳中部，通過搭建可轉換架體、安裝可拆裝制冰系統形成具有4條標準賽道的冰壺場地。

在游泳池上“搭架子”并不是一件容易的事。設計團隊在嘗試了木頭、鋼筋等多種材料后，最終選擇了鋼結構加輕質混凝土預制板結構體系。

可轉換鋼結構由2600根3米高、2米長的薄壁H型鋼搭建而成，每根梁柱裝有柱腳，每個連接點裝有可拆卸高強度螺絲，確保鋼架堅固結實。

冰壺比賽對現場環境要求極高，如果比賽場館未能有效密封，濕熱空氣進入賽場，就會造成冰面起霧，影響比賽。所以，設計團隊對場館進行了改造，增加了除濕系統、吸聲材料、室內外空氣隔離設施等。

“水立方”變身“冰立方”的關鍵環節還是制冰。場館采用制冰機組“兩用一備”的方案，即賽場旁邊有兩組管道，一進一出形成回路，制冰基礎層上有序地鋪裝著制冰排管，室外制冷機組相當于“心臟”。打開制冰機組使其運行，將載冷劑通過管道循環輸送至制冰場，保證賽場制冰順利進行。

世界第一“冰絲帶”

國家速滑館是2022年北京冬奧會北京賽區唯一新建的冰上競技場館，如同一條冰雪織就的絲帶。別看它現在如此美麗，當初建造的時候可是費了不少力氣。

“冰絲帶”的主要屋頂結構是目前世界體育場館中規模最大的單層雙向正交馬鞍形索網屋面，長跨約200米，短跨約130米。它的核心部件是一種叫“高釩密閉索”的零件。起初計劃建造時，國內還沒有這種部件。建設團隊自主創新，僅用3個月就突破了瓶頸，掌握了技術核心，實現了高釩密閉索國產化，創新性地采用索網結構體系。

“冰絲帶”采用全冰面設計，1.2萬平方米的冰面創下了亞洲之最。冰面分區域控溫，冰面下猶如千層糕，從下向上鋪設加熱層、防潮隔汽層、保溫層、隔離層、防水層、滑動層、混凝土冰板層……整整9層。

冰雪篇就是不一樣

說起2022年北京冬奧會，那自然離不開主角冰與雪。

不同賽事用不同的冰

“冬奧冰”的制作并不簡單，不僅要做到形成時間快、表面光滑，還需滿足不同比賽項目對冰面溫度、厚度等的不同需求。

短道速滑需要“最快的冰”，這就要求冰面厚度為3厘米到5厘米，冰面溫度為-7 ℃至-6 ℃。

短道速滑冰道每圈為111.12米，被稱為“大道”的速度滑冰冰道周長要比它長得多，為400米。所以，“大道”要求冰面厚度在2.5厘米到3厘米之間，冰面溫度為-9 ℃至-5 ℃ 。

被譽為“冰上舞蹈”的花樣滑冰對冰面厚度要求為6厘米到7厘米，冰面溫度要求為-4 ℃至-3 ℃。

冰球與冰壺比賽要求冰面溫度在-6 ℃，且冰面極為平整。在冰壺比賽中，冰面1毫米的平整度偏差都會對冰壺的走向產生很大影響，進而影響運動員發揮。

打造“最快的冰”

由于二氧化碳做制冷劑不但無毒，而且環保，不會破壞臭氧層，所以被運用于制冰。2022年北京冬奧會北京賽區共有15塊冰面，其中7塊采用了先進的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術。本次奧運會也成為歷史上首次大規模使用二氧化碳制冷劑的奧運會。

采用二氧化碳直接蒸發制冷技術，制冷劑在地下預埋的盤管中進行熱交換，不僅系統換熱效率更高，還可將冰面溫差控制在0.5 ℃以內，制成的冰也更加均勻，不會出現冰面各處溫度不一樣、冰面硬度不均勻的情況。

此外，相比傳統的制冰技術，二氧化碳跨臨界直冷制冰技術能將能效提升20%以上。制冰產生的余熱經高效回收后可提供70 ℃熱水，用于生活熱水、冰面維護、場館除濕等。

選用人造雪

充足的積雪是冬奧會順利進行的基本條件。在依靠自然雪的年代，出現過老天“不給面子”，積雪不足以讓冬奧會順利進行的情況。而人造雪就可以改變冬奧會“靠天賞臉”的局面，化解主辦地無雪、少雪的尷尬。

隨著奧運會各項賽事更加公平公正化和標準化，對競技場地的雪量和雪質的要求更高。

自然積雪的孔隙率高、密度小、強度低，物理特性多變，無法滿足某些比賽用雪需求，且對運動員的成績及滑雪的舒適感等都有影響。人造雪的雪層單一、性狀穩定，在被壓平整、注水后，更容易成為物理性質一致的雪道，保證運動員在公平公正的條件下展開競技。

2022年北京冬奧會不僅選用人造雪，還根據不同比賽項目對場地的不同需求造出了9種不同型號的雪。

裝備篇完美“戰衣”

要想取得好成績，少不了完美裝備的輔助。2022年北京冬奧會上，我國奧運健兒的“戰衣”集減阻、防護于一體，包含了很多高科技元素。

競速類項目追求“快”，那么比賽服就要考慮減阻。短道速滑比賽服采用空氣湍流控制減阻和邊界滑移減阻技術，表面為凹坑結構，將空氣迅速導流，相比普通滑冰服，減阻力能提升5%～10%。整體采用新型的高彈防切割面料，由單向防切割升級為雙向防切割，在保持彈性的基礎上，防切割性能提高了20%～30%，給運動員提供全方位的防護。

圖5 2月7日，任子威（左）與隊友武大靖（中）在比賽(圖/新華社記者楊磊攝）

高山滑雪訓練防護服采用新型抗沖擊結構和新型吸能緩震材料，使高山滑雪運動員在穿越旗門時免受傷害。

運動項目篇百問百答

我們要想看懂冬奧會，關于競賽項目的知識可一定要掌握哦。下面進入問答環節，看看誰能又快又準地回答出所有的問題。

1.冬奧會有哪些競賽項目？

冬奧會競賽項目共有7大項和15個分項。7個大項為滑冰、冰球、冰壺、滑雪、冬季兩項、雪車和雪橇。15個分項為高山滑雪、自由式滑雪、單板滑雪、越野滑雪、跳臺滑雪、北歐兩項、短道速滑、速度滑冰、花樣滑冰、冰球、冰壺、雪車、鋼架雪車、雪橇和冬季兩項。

2.2022年北京冬奧會新增了哪些比賽項目？

本次冬奧會新增了7個小項：女子單人雪車、短道速滑混合團體接力、跳臺滑雪混合團體、自由式滑雪大跳臺（男子、女子）、自由式滑雪空中技巧混合團體和單板滑雪障礙追逐混合團體。

3. 最具“反差萌”的項目是什么？

冬季兩項，它是越野滑雪和射擊相結合的運動，由遠古時期獵人滑雪狩獵的活動演變而來。運動員在滑行時需要在指定的位置完成射擊動作，堪稱“靜如處子，動如脫兔”。

4.為什么冰球是扁的，而不是圓的？

冰球由英文ice hockey翻譯而來，hockey又譯為曲棍球，所以，ice hockey的中文名稱就變成了冰球。

為了快速鎖定冰球的位置，冰球通常是黑色的，外形酷似象棋，和人們想象中的球類完全不一樣。

從科學的角度來講，冰球上下兩個平整的表面可以完全與冰面接觸，增加滑動時的摩擦力，能在冰面上更穩地“行走”，運動員也可以很好地控制它。

5.鋼架雪車、雪車和雪橇有什么不同？

鋼架雪車、雪車、雪橇三個項目有相似之處，均在延慶賽區的國家雪車雪橇中心進行，比賽使用同一個賽道，而且雪車和鋼架雪車共用一個起點。

鋼架雪車被稱為“冰上俯沖機”，它和雪橇都只有底座，沒有外殼，而被稱為“冰上F1”的雪車是有外殼的，更像車。雪橇和鋼架雪車沒有轉向和制動裝置，而雪車車體是配備轉向和制動裝置的。雪橇是通過前后擺動及耙冰獲得初始速度，而雪車和鋼架雪車是通過奔跑推動車體而獲得初始速度。雪橇需要運動員躺著滑，雪車需要運動員坐著滑，而鋼架雪車需要運動員趴著滑。