ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ЛЬДА С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ КОНЬКОБЕЖЦЕВ

« Назад

04.08.2013 18:14

1. ВВЕДЕНИЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Скоростной бег на коньках - один из самых зрелищных зимних видов спорта, в котором регистрируются мировые рекорды, то есть абсолютно лучшие результаты, показанные конькобежцами в беге на различные дистанции. В конькобежном спорте мировой рекорд отражает не только физическую, техническую и психическую подготовку спортсмена, его талант, но и научно-технический уровень ледовой арены. В частности, - Технологию подготовки и поддержания качества льда. В последние годы к индустрии разработки методов получения "сверхбыстрого" льда подключены значительные научные и инженерные силы.

С тех пор, как тренировки и соревнования конькобежцев были перенесены с открытых катков на крытые ледовые стадионы (80-е годы ХХ-го века) впервые появилась возможность обеспечивать оптимальные условия скольжения путём направленного воздействия на кристаллическую структуру ледового массива, а также создания с помощью современных инженерных средств оптимальных для организма спортсменов тепло-влажностных параметров воздушной среды.

Так что же всё-таки представляет собой понятие "сверхбыстрый" лёд? Это ледовая поверхность, обладающая комплексом физико-механических свойств, обеспечивающим минимальную силу сопротивления трению конька спортсмена по льду. Обобщение результатов исследований большинства отечественных и зарубежных учёных позволяют сформулировать технически корректные требования к физико - механическим свойствам льда, обеспечивающим наилучшее скольжение конька по льду. Ледовая поверхность должна обладать НЕ только минимальным коэффициентом трения µ, а минимальной силой сопротивления скольжению конька по льду F, пропорциональной произведению (µ S), где S - реальная площадь контакта лезвия конька и льда. Иными словами, лёд должен быть в равной степени скользким (минимум µ) и твердым: в этом случае конёк не проникает под тяжестью спортсмена глубоко в лёд, не "вязнет" и суммарная поверхность лезвия, погружённого в лёд, невелика.

1.1. Влияние температуры льда на сопротивление трения

Зависимость силы сопротивления скольжению F от температуры льда изучена достаточно подробно. Со снижением температуры возрастает коэффициент трения , но лёд при этом становится более жёстким и уменьшается реальная площадь соприкосновения лезвия конька и льда S, - разнонаправленное действие этих двух факторов обусловливает экстремальный характер зависимости F=f(µ,S).

Исследования, проведённые Факультетом Human Movement Sciences независимого Университета в Амстердаме, показали, что минимуму силы сопротивления F соответствует интервал температур ледовой поверхности от - 6 до - 8°С.

2. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ "СВЕРХСКОЛЬЗКОГО" ЛЬДА

Наш подход к увеличению "скользкости" льда при сохранении его твёрдости состоит в реализации двухслойной модели льда. Нижний слой - твердый для того, чтобы ограничивать слишком глубокое проникновение конька в лёд (Рисунок 1). Верхний слой, толщиной не более 1 мм - мягкий со специально введёнными ингредиентами для улучшения скольжения.

ICR07_1ru

Рисунок 1.

Чтобы решить первую задачу - сделать лед более твердым, нужно предпринимать меры по его очистке от примесей: крупных, мелких, точечных, а также от собственных дефектов решетки - ионов гидроксида, гидроксония и ориентационных дефектов Бьеррума. Для этого нужно:

  • Применять глубокую многоуровневую обработку воды, включающую все основные стадии: от очистки от механических примесей осветления, умягчения до обессоливания (обратного осмоса) и удаления растворённых газов.
  • Использовать Технологию намораживания ледового массива с низкими скоростями кристаллизации, т.к. при низкой скорости дефекты решётки эффективнее отторгаются льдом, и лед вырастает наиболее чистым. В пределе, чем медленнее проходит процесс кристаллизации и чем меньше градиент температур, тем ближе свойства получаемого льда к монокристаллу.
  • Проводить термическую обработку полученного ледового массива - "отжиг", т.е. повысить температуру льда до нулевой отметки и определённое время выдержать его при этой температуре с последующим понижением температуры до рабочих значений. При "отжиге" имеющиеся дефекты быстрее релаксируют к термодинамически равновесному значению концентрации. Примером хорошо "отожженного" льда может служить старый лед, т.е. лёд вековых ледников в горах.
  • Процесс "отжига" совмещать с механической нагрузкой льда, т.к. при этом происходит уплотнение льда, быстрее вытесняются на поверхность пустоты, примесные включения и собственные дефекты кристаллической решётки. Нагрузка может быть приложена статическим (давление груза постоянной массы) или динамическим методом (например, при прокатывании льда катком через мягкую прокладку).

Впервые предложенная Технология была применена нами в декабре 2004г на первом в России крытом ледовом стадионе "Крылатское" при проведении юношеского Чемпионата Европы и получила высочайшую оценку спортсменов, тренеров и специалистов. Полученный ледовый массив приобрел свойства, максимально приближенные к монокристаллическому льду: был прозрачен, не имел газообразных включений и обладал существенно большей твердостью, чем лед, намороженный по традиционной технологии. Измерения твердости проводились без разрушения исследуемой поверхности динамическим методом, значительно более корректным для льда, чем статические методы, предусматривающие внедрение инденторов.

 

На разных дистанциях от 500 до 5000 м у женщин и мужчин в 133 забегах было установлено в целом 99 личных рекордов, т.е. 74% конькобежцев улучшили свои личные достижения! И это в самом начале сезона, когда конькобежцы ещё далеки от сезонного пика спортивной формы.

Другим важнейшим достижением можно считать установку двух мировых юношеских рекордов в командных гонках преследования (у женщин и мужчин).

 

2.1. Зависимость скользящих свойств льда от времени после заливки

Одной и важнейших задач настоящей работы было исследование влияния различных факторов на скользящие свойства ледовой поверхности в период времени между заливками. До 2005 года априори считалось, что после замерзания разлитой плёнки воды условия скольжения остаются неизменными и равными для всех спортсменов. Для экспериментов был создано устройство - "железный спортсмен" моделирующий скольжение конькобежца. Длина пробега устройства после передачи ударного импульса постоянной величины характеризует силу сопротивления движению F или скользкость льда. В конструкции прибора были использованы современные беговые коньки, а удельная нагрузка на лезвие соответствовала давлению на лед среднего конькобежца. Измерения длины пробега прибора проводились через каждые 1.5 минуты в течение 30 минут (периода времени между заливками). В работе использовался измерительный комплекс с программным обеспечением для определения и записи теплофизических параметров льда и воздушной среды.

Систематизация и научный анализ полученных экспериментальных данных показали, что скользящие свойства льда существенно непостоянны в течение одного заливочного периода и носят выраженный экстремальный характер.Основные результаты качественно представлены в виде кривой скольжения на рисунке 2. Кривая скольжения имеет несколько характерных зон. Зона 1 - зона максимума скользящих свойств - соответствует времени исчезновения жидкой смазки на поверхности льда и скольжения по квазижидкому слою. В этот период времени практически исчезает гидравлическое сопротивление жидкой плёнки и ещё слишком мала интенсивность молекулярного взаимодействия (работа адгезии) между коньком и льдом. Это состояние можно трактовать как кристаллическую структуру, геометрически свойственную твёрдому телу, но с молекулярными связями, не имеющими жёсткости твёрдого тела.

Зона 2 - это зона снижения скользкости льда. Ей соответствует постепенное понижение температуры поверхности льда, степени проявления свойств квазижидкого слоя и увеличение коэффициента трения. Далее наступает зона 3 - зона "плато". В этой зоне температура поверхности сближается с температурой основного массива и достаточно стабильно сохраняются скользящие свойства льда. Они могут считаться условно постоянными. Следующая - зона 4 - зона ухудшения условий скольжения: на поверхности льда осаждается конденсат, появляется шероховатость, механические повреждения, микронеровности и.т.д. Очевидно, что равные условия для всех спортсменов могут быть созданы только в зоне "плато", при условии поддержания необходимых параметров воздушной среды.

К теплофизическим и режимным параметрам, которые оказывают влияние на характер и расположение характерных зон кривой скольжения, относятся в первую очередь:

  • температура заливаемой воды tв;
  • толщина пленки заливаемой воды;
  • скорость её кристаллизации;
  • параметры воздушной среды в непосредственной близости от поверхности льда.

Увеличение температуры заливаемой воды приводит к более позднему наступлению максимума скользящих свойств и росту его абсолютного значения (Рисунок. 2а). Наиболее существенно, что увеличение tв приводит к росту значений пробега в зоне "плато", т.е. чем медленнее темп процесса кристаллизации, тем лучше в итоге скоростные свойства льда после замерзания пленки. Увеличение толщины пленки заливаемой воды также вызывает смещение зоны наилучшего скольжения вправо по оси времени и возрастание его абсолютного значения (Рисунок. 2б). Максимум скользящих свойств может быть сознательно смещен к определённому времени, а уровень "плато" - стать выше или ниже, чем в предыдущей заливке. Таким образом, изменение теплофизических параметров заливки льда может быть инструментом для манипуляции и создания исключительных условий скольжения для определённой группы спортсменов.

По результатам исследований нами была разработаны методики контроля параметров процесса заливки льда в промежутках между забегами и представлен доклад Международному союзу конькобежцев (ISU). Частично предложенные методики были апробированы при проведении Олимпийских игр - 2006 в Турине. В итоге Конгрессом Международного союза конькобежцев в Будапеште в июне 2006 г. было принято решение об изменении Правил проведения международных соревнований по конькобежному спорту. В частности, новой редакцией Правил предусмотрен обязательный контроль со стороны ISU всех теплофизических и режимных параметров процесса заливки льда между забегами.

ICR07_2ru

Рисунок 2 - Кривая скольжения: 

а - влияние температуры заливаемой воды tв на вид кривой скольжения:
I - зона максимума скользящих свойств;
II - первая ступень снижения скользкости;
III - зона "плато" - стабильное скольжение;
IV - вторая ступень снижения скользкости;

б - влияние толщины пленки заливаемой воды на вид кривой скольжения;

tст - время стабилизации скользящих свойств льда для толщины пленки.

2.2. Влияние присадок на скользящие свойства ледовой поверхности

Второй задачей исследования был поиск групп веществ и соединений,направленно воздействующих на скользящие свойства льда, и отработка методики их внесения в условиях соревнований. Обобщение мирового опыта в области физики льда, твёрдых растворов, смесей, а также в области теории трения позволило построить физическую модель структуры поверхностного слоя, существенно снижающего сопротивление трения конька о лёд. Предложенная структура представляет собой тонкий слой, заполненный кристаллами водного льда с вкраплениями молекул растворённого вещества, окружённых гидратными оболочками, - так называемой "связанной" водой. При скольжении конёк пересекает каналы со "связанной" водой и получает дополнительную смазку при температурах более низких, чем температура замерзания чистой воды. Такой тип поверхностной структуры льда подтверждается данными электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа в серии работ Григоряна С.С. и др.

Перечислим ряд основных требований, которым должны отвечать вещества и соединения, вводимые в воду для улучшения скольжения:

  • хорошая растворимость в воде;
  • нетоксичность;
  • химическая стабильность;
  • малая летучесть;
  • прозрачность, отсутствие запаха и цвета;
  • водные растворы вводимых веществ должны иметь эвтектическую температуру ниже, чем рабочий диапазон температур ледовой поверхности, т.е. ниже минус 12°С;
  • гидрофобность;
  • поверхностная активность.

Добавление поверхностно-активных веществ (ПАВ) в воду снижает поверхностное натяжение раствора и приводит к уменьшению когезионной прочности как льда, так и жидкой плёнки. В этом случае необходимо затратить меньше энергии на разрыв межмолекулярных связей, что приводит к снижению сопротивления скольжения. Согласно правилу Дюкло-Траубе и уравнению Шишковского изменение поверхностной активности возрастает по мере увеличения длины углеводородной цепи. Поэтому при выборе компонентов присадок на основе органических соединений предпочтение должно отдаваться высокомолекулярным соединениям, расположенным дальше в гомологическом ряду. Кроме того, поверхность жидкой фазы вокруг молекулы растворённого вещества при неизменной массе определяется формой и размером молекулы и пропорциональна её длине.

Поиск и разработка современных технологий воздействия на физико-механические свойства льда базируется исключительно на использованиемикроконцентраций вводимых добавок. Даже незначительное превышение оптимальной концентрации приводит к размягчению и разрыхлению поверхностного слоя льда: конёк более глубоко проникает в лёд, что существенно увеличивает суммарное сопротивление скольжению и практически сводит на нет эффект появления дополнительной смазки на поверхности скольжения. Введениемикроконцентраций специальных присадок существенно улучшает скользящие свойства льда, залитого водой самого высокого качества очистки. При этом следует помнить, что можно в значительно ухудшить исходное качество льда той же самой присадкой, но внесённой в несколько большей концентрации.

Сравнение кривых скольжения для чистого льда и модифицированного различными присадками представлено на рисунке 3. Наилучшие результаты были получены при введении присадок на основе органических соединений. На такой поверхности длина пробега на 50-60% превышает длину пробега по исходному льду. Характерными особенностями кривых скольжения при применении органических присадок являются значительно более широкая и пологая зона максимума и высокое стабильное "плато" (кривая 3). При этом концентрация органических присадок не превышала значений 0,5-1 ppm, т.е. одной миллионной в массовых долях. Экологическая безопасность этого ряда присадок не вызывает никаких опасений, так как они используется при приготовлении лекарственных средств (включая детские) и совместимы с кровью и плазмой человека.

ICR07_3ru

Рисунок 3 - Кривые скольжения:

1 - базовый лёд, залитый водой, прошедшей все стадии очистки;
2 - лёд с присадками на основе неорганических соединений;
3 - лёд с присадками на основе органических веществ и добавок.

К настоящему времени на эти новые способы воздействия на свойства ледовой поверхности получено три патента РФ.

3. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ДЕФЕКТЫ И МЕТОДЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ

К сожалению, введение наиболее эффективных и "скоростных" присадок даже в микроконцентрациях сопровождается искажением рельефа ледовой поверхности - появлением микронеровностей в виде свернутых продольных или разветвлённых "косичек", показанных на рисунке 4а. Даже незначительная потеря привычной гладкости ледового покрытия вызывает психологическое неприятие у спортсменов, вибрацию лезвия конька и, соответственно, претензии тренеров и организаторов соревнований. Появление поверхностных дефектов после завершения кристаллизации разлитой на жидкости с добавками ПАВ обусловлено, в первую очередь, стремлением системы к выходу из состояния термодинамической нестабильности, вызванной высвобождением свободной энергии при движении фронта кристаллизации. В этом процессе для системы "выгоднее" перейти в состояние, в котором площадь контакта льда и жидкости будет меньше. Жидкость "сворачивается" и на ледовой поверхности образуются дефекты.

Изучение физической природы этого явления позволило выявить вещества, которые необходимо одновременно с ПАВ вводить в разливаемую жидкость для предотвращения неровностей на поверхности льда, сохраняя при этом его высокие скоростные свойства. Эти нивелирующие вещества добавляются также в концентрациях, не превышающих 1 ррm, и представляют собой мелкодисперсные водные суспензии фторполимеров. Фторполимеры обладают высокой гидрофобностью, наименьшей свободной энергией по отношению к другим материалам, в частности , углеводородам. Во многих отраслях промышленности эти вещества используются для снижения трения в узлах машин и механизмов. При добавлении их в воду без ПАВ они придают поверхности льда исключительную гладкость и в среднем на 10-15% процентов увеличивают длину пробега прибора. При совместном введении ПАВ и нивелирующих веществ улучшение скольжения достигает 50-60% при сохранении гладкости льда (Рисунок 4b).

Рис 4а Рис 4б
Рисунки 4а и 4б -  Внешний вид ледовой поверхности:

а - с добавками ПАВ без нивелирующего вещества;
б - с добавками ПАВ с добавлением нивелирующего вещества.

4. ВЫВОДЫ

  • В результате исследований с использованием "железного спортсмена", имитирующего скольжение конькобежца, была получена кривая зависимости скользящих свойств от времени после заливки льда. Выявлены характерные зоны этой зависимости.
  • Определены факторы, влияющие на абсолютное значение максимума скользящих свойств и "плато", а также на расположение этих зон на оси времени. Показано, что максимум скользящих свойств льда может быть сознательно смещён во времени в интересах отдельных спортсменов.
  • Предложена методика контроля теплофизических параметров воды и процесса заливки льда в целях исключения любых манипуляций с целью создания равных соревновательных условий для всех спортсменов. Методика частично уже прошла апробацию во время зимних Олимпийских игр в Турине в 2006 году.
  • Предложен механизм воздействия на молекулярном уровне на структуру поверхностного слоя льда и его скользящие свойства. Разработан и экспериментально проверен состав присадок на основе экологически безопасных органических соединений, приводящих к увеличению на 50-60% длины скольжения прибора по сравнению со льдом, залитым очищенной водой.
  • Экспериментальным путём определён оптимальный диапазон микроконцентраций вводимых присадок, соответствующий наибольшему увеличению скользящих свойств без нежелательной потери гладкости ледовой поверхности.
  • Определена и экспериментально апробирована группа веществ, наиболее эффективно нивелирующих аномалии на поверхности льда, возникающие при введении органических присадок. Разработан и успешно апробирован на международных соревнованиях состав и концентрации компонентов для введения в водный раствор, максимально увеличивающий длину пробега и сохраняющий гладкость ледовой поверхности.