冰雪盛會(huì)

比起赤日炎炎、熱力四射的夏季奧運(yùn)會(huì)，冰天雪地、銀裝素裹的冬季奧運(yùn)會(huì)別有一番韻致和風(fēng)光。這里是潔白如玉的征途，晶瑩如鏡的賽場(chǎng)，“斷橋危立”的跳臺(tái)，陡峻盤曲的滑道。腳踩冰刀和滑雪板的健兒們馳騁如風(fēng)、將飛欲翔；駕馭雪橇的勇敢者則創(chuàng)造了陸地極限速度，被譽(yù)為“冰上一級(jí)方程式”。1908年倫敦奧運(yùn)會(huì)便首次設(shè)立了花樣滑冰項(xiàng)目，但早期奧運(yùn)會(huì)“夏行冬令”的確勉為其難。1924年巴黎奧運(yùn)會(huì)將冰雪項(xiàng)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(guó)際體育周”，此后被國(guó)際奧委會(huì)“追認(rèn)”為第1屆冬季奧運(yùn)會(huì)。當(dāng)“白色奧運(yùn)”從“附庸地位”到另立門戶，五環(huán)旗交替飄揚(yáng)在地球上寒暑分明的兩個(gè)季節(jié)時(shí)，奧運(yùn)會(huì)就更加色彩絢爛和充實(shí)完整了。

要說(shuō)冬奧會(huì)是一種“水上運(yùn)動(dòng)”也不為錯(cuò)，因?yàn)楸┍緛?lái)是固態(tài)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(duì)于水和冰的認(rèn)識(shí)卻仍然相當(dāng)膚淺，包括人在冰雪上運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜力學(xué)關(guān)系。

2007年11月9日，加拿大選手沃瑟斯龐在美國(guó)鹽湖城以34秒03的成績(jī)創(chuàng)造了500米速滑世界紀(jì)錄，平均速度達(dá)到每秒14.69米。而牙買加選手鮑威爾2007年9月9日創(chuàng)造的男子百米短跑世界記錄為9秒74，平均每秒10.27米?？梢哉f(shuō)，滑冰是人類靠著雙腳在地球表面上移動(dòng)的最快方式。

2007年11月沃瑟斯龐參加鹽湖城速度滑冰世界杯賽

關(guān)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(xiàn)。而1572 年蘇格蘭人發(fā)明的第一雙全鐵冰刀則是現(xiàn)代冰刀誕生的標(biāo)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(jīng)告訴我們，首先由于冰刀的壓力使冰的熔點(diǎn)降低，同時(shí)由于摩擦生熱，導(dǎo)致接觸點(diǎn)的冰迅速融化，于是產(chǎn)生了一層薄薄的水膜，在冰刀和冰面間起潤(rùn)滑作用。也有不少科學(xué)家始終質(zhì)疑這一解釋，認(rèn)為僅憑冰刀的壓力和運(yùn)動(dòng)的摩擦遠(yuǎn)不足以使冰面融化。近年來(lái)的研究已經(jīng)證實(shí)，冰即使在環(huán)境溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)的情況下，表面也會(huì)形成厚度由幾個(gè)水分子到幾千個(gè)水分子構(gòu)成的液態(tài)層，這是因?yàn)楸鶎觾?nèi)的每個(gè)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(dòng)速度更快，于是失去穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，即使在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)的溫度下也會(huì)表現(xiàn)為“半液體”狀態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)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(lái)自外力的作用。

冰刀在冰面上滑行示意圖

滑冰無(wú)疑是最舒展流暢、輕盈靈巧的運(yùn)動(dòng)，身體蹲屈，兩腿交替，蹬冰、收腿、下刀、滑進(jìn)，運(yùn)動(dòng)員流星般掠過(guò)冰面，身后留下美麗的弧線?；袝r(shí)我們追求最小的阻力，但蹬冰獲得動(dòng)力時(shí)，又需要有最大的阻力。因此身體重心所在腳的冰刀長(zhǎng)軸必須與前進(jìn)方向一致，蹬冰腳的用力方向卻要與冰刀長(zhǎng)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(gè)拱形的凹槽。中長(zhǎng)距離速滑冰刀要保持較好的直線性，因此刀身較長(zhǎng)；短道速滑冰刀的刀身相對(duì)較短并較高，以便于在彎道上弧線前進(jìn)和傾斜度很大時(shí)冰鞋不會(huì)接觸冰面。而冰球運(yùn)動(dòng)員左奔右突，花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員翻騰跳躍，對(duì)靈活多變的要求勝過(guò)對(duì)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(zhuǎn)驟停。

1998 年日本長(zhǎng)野舉行的冬奧會(huì)上，速度滑冰的世界紀(jì)錄幾乎全部被打破，接著在2002 年美國(guó)鹽湖城冬奧會(huì)上,所有世界紀(jì)錄又再次被刷新，導(dǎo)致這場(chǎng)“冰上革命”的直接原由，便是被運(yùn)動(dòng)員戲稱為“托板鞋”的“克萊普”冰刀。

克萊普冰刀

克萊普冰刀滑行

我們?cè)诒寂芎吞S時(shí)，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的肌群能按照自然順序協(xié)同工作。但在傳統(tǒng)的滑冰動(dòng)作中，由于冰鞋和冰刀前后兩端固定，完成蹬冰動(dòng)作時(shí)如果伸展踝關(guān)節(jié)就會(huì)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(guān)節(jié)跖屈，并將“鎖踝”作為技術(shù)要領(lǐng)，這樣滑冰就將踝關(guān)節(jié)肌群的力量“扼殺”，只靠膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)肌群來(lái)“干活”了?？巳R普冰刀的巧妙構(gòu)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(shí)分離。其核心價(jià)值在于“解放”腳踝，使運(yùn)動(dòng)員在重心前移時(shí)，后刀托與鞋跟自動(dòng)脫開，于是踝關(guān)節(jié)、跖關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)力量也因此得以更充分發(fā)揮?？巳R普冰刀實(shí)際上將傳統(tǒng)冰鞋足部繞刀尖轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槔@腳掌轉(zhuǎn)動(dòng)，身體“重臂”為之縮短，同時(shí)克服了蹬冰時(shí)重心主要橫向移動(dòng)的弊端，使身體重心能夠縱向前移。統(tǒng)計(jì)表明，克萊普冰刀能將中長(zhǎng)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(lái)是詩(shī)人畫家靈感和巧思的源泉，也是冬季奧運(yùn)會(huì)高潔而素雅的底色。而滑雪板則是運(yùn)動(dòng)員必不可少的基本裝備。人在雙腳站立時(shí)，對(duì)地面的壓強(qiáng)約15000帕，行走在積雪沒(méi)脛的原野上，每一腳都要把松軟的雪壓實(shí)，因此會(huì)消耗許多能量而“舉步維艱”?；┌鍖⒉妊┟娣e增加了20倍，腳對(duì)雪的壓強(qiáng)也減少到原來(lái)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(wú)阻”了。

滑雪板示意圖

雪的表面也許是地球上最神奇的表面之一，固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)的水在這里同時(shí)并存相互作用，形成復(fù)雜的物理特性?；┻\(yùn)動(dòng)可以看成人-板系統(tǒng)重心轉(zhuǎn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)的合成。高山滑雪是重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的直接演示，體重大的運(yùn)動(dòng)員單位體重受到的空氣阻力更小，因此會(huì)滑得更快。大、小回轉(zhuǎn)時(shí)不僅靠手中的雪杖像船篙一般改變行進(jìn)方向，更要靠身體傾斜讓滑雪板底面和雪面形成一個(gè)夾角。高速滑行的邊刃“刻”入雪地后，“側(cè)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(yùn)動(dòng)的向心力。新型的滑雪板頭尾較寬，腰部較細(xì)，形如“沙漏”，施力后會(huì)形成一定弧度“引導(dǎo)”轉(zhuǎn)彎?；┌逶蕉?，“板腰”越窄，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑就越小，沒(méi)有彎曲變形的滑雪板是無(wú)法轉(zhuǎn)彎的?，F(xiàn)代滑雪板能在運(yùn)動(dòng)員跌倒后自動(dòng)“脫扣”以策安全。而為了減小摩擦和保護(hù)滑雪板，“打蠟”從來(lái)是運(yùn)動(dòng)員必須掌握的重要技巧。

滑雪回轉(zhuǎn)姿勢(shì)

CM：人體質(zhì)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(cè)向分力 FC：離心力 Φ：人體傾角 α：雪面坡度

跳臺(tái)滑雪是冬奧會(huì)中最壯觀而刺激的項(xiàng)目。從100多米長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)員在起跳點(diǎn)以每小時(shí)100公里的速度騰空而起，展開又寬又長(zhǎng)的滑雪板“飛行”約6秒鐘，落在90米或120米處的K點(diǎn)。巍巍跳臺(tái)雖然高達(dá)幾十米，但運(yùn)動(dòng)員身體和地面相對(duì)高度卻始終不過(guò)數(shù)米，斜坡的弧度和運(yùn)動(dòng)員在空中的拋物線軌跡大致平行。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員最后以極小的角度落地時(shí)，垂直于地面的沖擊力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于三級(jí)跳遠(yuǎn)之類的田徑項(xiàng)目，何況還有40厘米厚的雪層緩沖，難怪總會(huì)是“有驚無(wú)險(xiǎn)”的。跳臺(tái)滑雪既可看成一次人體的“下斜拋運(yùn)動(dòng)”，也可以看成一次“飛行物”的“起飛”和“著陸”。

跳臺(tái)滑雪示意圖

夏季“滑雪跳臺(tái)”

如今風(fēng)行世界的“夏季跳臺(tái)”用特制瓷磚和噴水系統(tǒng)建造助滑道的滑軌，用摩擦力極小的彈性發(fā)泡塑膠鋪設(shè)山坡的“著陸區(qū)”。不僅成為跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員一年四季的訓(xùn)練基地，也成了吸引廣大公眾的旅游業(yè)新寵。

1932年2月普萊西德湖冬奧會(huì)的最大危機(jī)來(lái)自氣候的反常，驟然升高的溫度導(dǎo)致賽場(chǎng)冰雪消融，不少項(xiàng)目只能勉為其難在溏薄的殘雪中進(jìn)行，讓運(yùn)動(dòng)員摔得鼻青臉腫。1964年因斯布魯克冬奧會(huì)“萬(wàn)事俱備，只欠降雪”，在58年未遇的暖冬中，奧地利緊急動(dòng)用軍隊(duì)從山頂運(yùn)來(lái)2萬(wàn)立方米積雪“救場(chǎng)”。但開幕式前賽場(chǎng)又遭降雨破壞，一名奧地利滑雪運(yùn)動(dòng)員和一名英國(guó)雪撬運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練中喪生?？梢?jiàn)冬奧會(huì)成敗的關(guān)鍵是“與天氣合作”。到了1988年卡爾加里冬奧會(huì)，攝氏18度的熏風(fēng)吹化了滿場(chǎng)冰雪，致使賽程拖延了16天并擱置了不少項(xiàng)目。但多虧強(qiáng)大的人工造雪機(jī)支撐危局，使高山滑雪等能夠繼續(xù)進(jìn)行。打從1980年普萊西德湖首次使用人工造雪，冬奧會(huì)已經(jīng)開始改變完全“靠天吃飯”的宿命了。

大氣中的水在攝氏0度下能以微小塵埃為“凝聚核”，結(jié)晶成六角輪廓、形態(tài)對(duì)稱的美麗雪花。人工造雪便是對(duì)大自然降雪機(jī)制的粗略模擬，將水進(jìn)行充分霧化后，通過(guò)高壓泵和排風(fēng)扇噴射到寒冷的空氣中，讓這些細(xì)小的水滴迅速結(jié)晶。科學(xué)家用細(xì)菌發(fā)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(jié)晶溫度上升到攝氏2至3度。早期“雪炮”噴射出來(lái)的“雪”其實(shí)是微小的冰粒，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工造雪已經(jīng)越來(lái)越接近于自然界的雪花了。

美麗的雪花 A 空氣 B水 C霧化水 D冰晶 E -2°C氣溫 F人造雪

奧運(yùn)會(huì)對(duì)人工造冰技術(shù)的應(yīng)用要早得多。1908年倫敦奧運(yùn)會(huì)花樣滑冰便在人工冰場(chǎng)舉行。1988年卡爾加里冬奧會(huì)首次建造了全封閉的室內(nèi)速滑體育館。各式各樣的人工冰場(chǎng)在當(dāng)今世界已經(jīng)隨處可見(jiàn)。人工冰場(chǎng)的制冷原理和家用電冰箱大同小異。我們都知道一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水會(huì)在100攝氏度時(shí)沸騰并吸收大量熱，而沸點(diǎn)為-29.8度的氟利昂在電冰箱內(nèi)的蒸發(fā)器中“沸騰”同樣會(huì)帶走大量熱使冰箱制冷，然后壓縮機(jī)將低溫低壓的氣態(tài)氟利昂變成高溫高壓蒸汽送進(jìn)散熱器，在這些“暖氣片”中放出熱量重新變成高壓常溫的液態(tài)氟利昂并開始下一輪循環(huán)。我們不妨把人工冰場(chǎng)看成一個(gè)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(diǎn)為-33.4攝氏度的氨，將高壓下的液態(tài)氨送到冰場(chǎng)水泥層的密集排管中汽化，再將帶走的熱量散發(fā)到外部環(huán)境，人工冰場(chǎng)便能“地凍三尺”了。人們很早就發(fā)現(xiàn)在積雪的道路上撒鹽能加快雪的融化，試驗(yàn)表明，氯化鈉溶液在濃度為23%的“共晶點(diǎn)”時(shí)凝固點(diǎn)最低，為-21.1攝氏度。而濃度為30%的氯化鈣凝固點(diǎn)為-51.6攝氏度。因此現(xiàn)代人工冰場(chǎng)更多用低溫鹽水或乙二醇作“載冷劑”，流過(guò)水泥層網(wǎng)管“間接制冷”，取代氨的直接蒸發(fā)。

電冰箱工作流程A,蒸發(fā)室 B,壓縮機(jī) 人工冰場(chǎng)剖面圖

C,冷凝器

實(shí)際工藝自然要復(fù)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(chǎng)地畫線和圖標(biāo)廣告，再由8至10層薄冰緊密構(gòu)成4厘米厚的運(yùn)動(dòng)冰面。冰球運(yùn)動(dòng)需要較“硬”的冰場(chǎng)，冰面溫度以-5攝氏度為宜，速滑則要求冰面溫度在-2至-3攝氏度之間。冰場(chǎng)的熱負(fù)荷計(jì)算，熱交換控制和日常維護(hù)管理都少不了專門的里手行家。

至于那些“橫空出世”的雪橇滑道，也可以視為拉長(zhǎng)、卷曲、彎環(huán)、陡峻的人工冰場(chǎng)。1600米滑道的水泥結(jié)構(gòu)從底槽到護(hù)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(jī)房伸出的“動(dòng)脈”“靜脈”循環(huán)不息，維持著這條“玉龍”零下11攝氏度的“體溫”。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和幾十個(gè)傳感器隨時(shí)監(jiān)控滑道上的微小變化。由于工程浩大和造價(jià)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

最令人嘆服的景觀要數(shù)阿聯(lián)酋名城迪拜的超級(jí)室內(nèi)滑雪場(chǎng)了。這個(gè)氣溫高達(dá)60攝氏度的火爐國(guó)家從來(lái)與冰雪無(wú)緣，如今卻擁有了相當(dāng)于三個(gè)足球場(chǎng)大小的“冰雪世界”，供千余人同時(shí)滑冰滑雪?！耙黄摹钡脑O(shè)計(jì)者靠著高科技手段造就了熾熱沙漠中的“阿爾卑斯”。

迪拜冰雪世界

也許我們總有一天能建造更多“環(huán)球同此涼熱”的人工冰雪場(chǎng)，但作為奧運(yùn)會(huì)的“半邊天”，冬奧會(huì)大概永遠(yuǎn)只會(huì)在地球高緯度地區(qū)的冬季舉行。我們的行星因?yàn)樗募据喕囟利惪蓯?ài)，冬奧會(huì)也是人類在傾訴對(duì)大自然的欣賞與感激。