趙致真：冬奧會裏的趣味科學_風聞

編者按：2008年北京奧運會期間，趙致真老師和《科技之光》團隊曾經制作了35集大型系列電視片《科技與奧運》，在央視體育頻道播出，同時出版了相應圖書，獲廣電總局科技創新獎，並受到國家科委和北京奧組委表彰。其中《冰雪盛會》一集，講述了冬季奧運會中的諸多科學知識，展示了豐富而珍貴的歷史畫面。

值此北京冬奧會開幕前夕，我們有幸取得作者授權，對該片的文字和視頻予以轉載，迎接北京冬奧會這場舉世矚目的冰雪盛會。

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。這裏是潔白如玉的征途，晶瑩如鏡的賽場，“斷橋危立”的跳台，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年巴黎奧運會將冰雪項目的比賽提前半年在夏蒙尼舉行並稱之為“第八屆奧林匹亞國際體育周”，此後被國際奧委會“追認”為第1屆冬季奧運會。

當“白色奧運”從“附庸地位”到另立門户，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。

1908年倫敦奧運會上，德國運動員安娜·赫布勒和海因裏希·博格獲雙人滑冰金牌（來源：List of 1908 Summer Olympics medal winners）

1924年2月3日法國《小日報》封面，慶祝夏蒙尼首屆冬奧會開幕（來源：Le Petit Journal illustré）要説冬奧會是一種“水上運動”也不為錯，因為冰雪本來是固態的水。儘管地球表面71%被水覆蓋，並且有2%的水體以冰的形式存在。我們對於水和冰的認識卻仍然相當膚淺，包括人在冰雪上運動的複雜力學關係。

2007年11月9日，加拿大選手沃瑟斯龐在美國鹽湖城以34秒03的成績創造了500米速滑世界紀錄，平均速度達到每秒14.69米。而牙買加選手鮑威爾2007年9月9日創造的男子百米短跑世界紀錄為9秒74，平均每秒10.27米。可以説，滑冰是人類靠着雙腳在地球表面上移動的最快方式。

2007年11月沃瑟斯龐參加鹽湖城速度滑冰世界盃賽（來源：commons wikimedia）

關於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，鑲嵌在木板上的鐵製冰刀在荷蘭出現。而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誌。為什麼冰刀不能在水泥、玻璃、鋼板上滑行，卻能在冰面上翔舞自如、“遊刃有餘”呢？

許多文章和教科書已經告訴我們，首先由於冰刀的壓力使冰的熔點降低，同時由於摩擦生熱，導致接觸點的冰迅速融化，於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，冰即使在環境温度遠遠低於熔點的情況下，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其他相鄰分子所“固定”，而表面水分子則只能與“下層”分子連接，垂直振動速度更快，於是失去穩定的晶體結構，即使在遠遠低於熔點的温度下也會表現為“半液體”狀態。這一發現的重大意義在於，冰的“光滑”主要是自身的天然屬性，而不是來自外力的作用。

古代瑞典人用骨頭綁在腳上溜冰（來源：historiska.se）

冰刀在冰面上滑行示意圖（來源：科技之光）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，身後留下美麗的弧線。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並較高，以便於在彎道上弧線前進和傾斜度很大時冰鞋不會接觸冰面。而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”能夠更好控制急轉驟停。

1998 年日本長野舉行的冬奧會上，速度滑冰的世界紀錄幾乎全部被打破，接着在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“託板鞋”的“克萊普”冰刀。

克萊普冰刀（來源：schaatshistorie.nl）

克萊普冰刀滑行（來源：wikiwand）我們在奔跑和跳躍時，髖關節、膝關節、踝關節的肌羣能按照自然順序協同工作。但在傳統的滑冰動作中，由於冰鞋和冰刀前後兩端固定，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蹠屈，並將“鎖踝”作為技術要領，這樣滑冰就將踝關節肌羣的力量“扼殺”，只靠膝關節和髖關節肌羣來“幹活”了。

克萊普冰刀的巧妙構思是，將冰刀的前刀託用鉸鏈和冰鞋連接，後刀託可以和冰鞋隨時分離。其核心價值在於“解放”腳踝，使運動員在重心前移時，後刀託與鞋跟自動脱開，於是踝關節、蹠關節都可以在蹬冰最後階段自由伸展，並依然保持冰刀“全刃着冰”。膝關節力量也因此得以更充分發揮。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秒到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。而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15000帕，行走在積雪沒脛的原野上，每一腳都要把鬆軟的雪壓實，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”託在雪的表面上而能夠“暢行無阻”了。

滑雪板示意圖（來源：科技之光）雪的表面也許是地球上最神奇的表面之一，固態、液態、氣態的水在這裏同時並存相互作用，形成複雜的物理特性。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”入雪地後，“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”，施力後會形成一定弧度“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後自動“脱扣”以策安全。而為了減小摩擦和保護滑雪板，“打蠟”從來是運動員必須掌握的重要技巧。

滑雪迴轉姿勢 CM：人體質心 W：重力 Fload：雪面荷載 FN：荷載與重力的法向分力 Flat：荷載與重力的側向分力 FC：離心力 Φ：人體傾角 α：雪面坡度（來源：科技之光）跳台滑雪是冬奧會中最壯觀而刺激的項目。從100多米長的助滑道俯衝而下，37度的陡坡到末段急劇減小為11度左右的緩坡，運動員在起跳點以每小時100公里的速度騰空而起，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。巍巍跳台雖然高達幾十米，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。當運動員最後以極小的角度落地時，垂直於地面的衝擊力遠遠小於三級跳遠之類的田徑項目，何況還有40釐米厚的雪層緩衝，難怪總會是“有驚無險”的。跳台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“着陸”。

跳台滑雪示意圖（來源：Nordic Skiing: Ski Jumping，科技之光）

夏季“滑雪跳台”（來源：skisprungschanzen）如今風行世界的“夏季跳台”用特製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“着陸區”。不僅成為跳台滑雪運動員一年四季的訓練基地，也成了吸引廣大公眾的旅遊業新寵。

1932年2月普萊西德湖冬奧會的最大危機來自氣候的反常，驟然升高的温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年因斯布魯克冬奧會“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年卡爾加里冬奧會，攝氏18度的薰風吹化了滿場冰雪，致使賽程拖延了16天並擱置了不少項目。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。打從1980年普萊西德湖首次使用人工造雪，冬奧會已經開始改變完全“靠天吃飯”的宿命了。

1964年奧地利軍隊為冬奧會運雪（來源：When the Austrian Army Saved the Winter Olympics）大氣中的水在0攝氏度下能以微小塵埃為“凝聚核”，結晶成六角輪廓、形態對稱的美麗雪花。人工造雪便是對大自然降雪機制的粗略模擬，將水進行充分霧化後，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“落地成雪”，還能使結晶温度上升到2至3攝氏度。早期“雪炮”噴射出來的“雪”其實是微小的冰粒，隨着科學技術的發展，人工造雪已經越來越接近於自然界的雪花了。

美麗的雪花（來源：Snowflake Fingerprints）

A 空氣 B水 C霧化水 D冰晶 E -2°C氣温 F人造雪（來源：adventure. howstuffworks，科技之光）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。人工冰場的製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攝氏度時沸騰並吸收大量熱，而沸點為-29.8度的氟利昂在電冰箱內的蒸發器中“沸騰”同樣會帶走大量熱使冰箱製冷，然後壓縮機將低温低壓的氣態氟利昂變成高温高壓蒸汽送進散熱器，在這些“暖氣片”中放出熱量重新變成高壓常温的液態氟利昂並開始下一輪循環。

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。這裏代替氟利昂的製冷劑常常是沸點為-33.4攝氏度的氨，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。

人們很早就發現在積雪的道路上撒鹽能加快雪的融化，試驗表明，氯化鈉溶液在濃度為23%的“共晶點”時凝固點最低，為-21.1攝氏度。而濃度為30%的氯化鈣凝固點為-51.6攝氏度。因此現代人工冰場更多用低温鹽水或乙二醇作“載冷劑”，流過水泥層網管“間接製冷”，取代氨的直接蒸發。

電冰箱工作流程，A,蒸發室，B,壓縮機，C,冷凝器（來源：How Refrigerators Work，科技之光）

人工冰場剖面圖（來源：tltgifts.ru，科技之光）實際工藝自然要複雜得多。“一層摞一層”的冰自下而上塗飾成白色襯底，噴繪出鮮明的場地畫線和圖標廣告，再由8至10層薄冰緊密構成4釐米厚的運動冰面。冰球運動需要較“硬”的冰場，冰面温度以-5攝氏度為宜，速滑則要求冰面温度在-2至-3攝氏度之間。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裏手行家。

至於那些“橫空出世”的雪橇滑道，也可以視為拉長、捲曲、彎環、陡峻的人工冰場。1600米滑道的水泥結構從底槽到護牆佈滿了鋼鐵的“末梢血管”，千餘噸氨水如同神奇的“冷血”，沿着中心機房伸出的“動脈”“靜脈”循環不息，維持着這條“玉龍”零下11攝氏度的“體温”。計算機網絡和幾十個傳感器隨時監控滑道上的微小變化。由於工程浩大和造價昂貴，目前全世界僅有12條人工冰橇滑道。

工人在修建雪橇滑道（來源：Universität, Innsbruck,uibk.ac.at）最令人歎服的景觀要數阿聯酋名城迪拜的超級室內滑雪場了。這個氣温高達60攝氏度的“火爐國家”從來與冰雪無緣，如今卻擁有了相當於三個足球場大小的“冰雪世界”，供千餘人同時滑冰滑雪。“一片冰心”的設計者靠着高科技手段造就了熾熱沙漠中的“阿爾卑斯”。

迪拜冰雪世界（來源：Una obra maestra de la Ingeniería）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迴而美麗可愛，冬奧會也是人類在傾訴對大自然的欣賞與感激。

自由式滑雪的空中翻騰（來源：centros.edu.aytolacoruna.es）