Современные технологии создания ледового покрытия для различных видов спорта, или ЛЕДОВАЯ ГОМЕОПАТИЯ

« Назад

04.08.2013 18:49
заставка 1 заставка 2

Издавна люди катаются на коньках по замёрзшим озёрам и рекам, существует богатый опыт создания искусственных катков, разработано достаточно методик замораживания льда для спортивных соревнований по ледовым видам спорта. Отчего же эта тема не теряет своей актуальности?

На мой взгляд, существует, как минимум, четыре причины вновь и вновь обращаться к ледовым технологиям. Во-первых, естественные возможности человеческого организма в скоростных видах спорта если ещё и не исчерпаны, то в значительной мере уже ограничены. Во-вторых, усиление контроля за использованием допинга значительно сужает возможности обновления мировых рекордов за счёт современной фармакологии. В то же время огромный научно-технический потенциал и возможности направленного воздействия на свойства льда пока недостаточно востребованы и задействованы - это в третьих! И, наконец, подъём, практически новый виток строительства во всём мире, и России в частности, катков, требующих высочайшего уровня ледовой подготовки, - это в-четвёртых.

Приведём реальные свежие примеры. Абсолютные скоростные результаты на различных дистанциях, показанные признанной мировой конькобежной элитой на зимней Олимпиаде - 2006 в Турине, существенно уступают результатам заведомо менее именитых спортсменов - участников студенческой Универсиады - 2007, проводившейся сезон спустя на том же ледовом стадионе. Специалисты достаточно уверенно объясняют этот факт принципиально иной технологией подготовки и заливки ледового массива. Прошедший между соревнованиями год позволил минимизировать влияние "молодой и дышащей" ледовой плиты и применить современные технологии структурирования ледового массива и модификации скользящего слоя. Второй пример - новый мировой рекорд Свена Крамера на 10-километровой дистанции, установленный на равнинном катке в Херенвейне. Устоявшееся представление о высокогорных катках, как о единственной кузнице мировых рекордов в конькобежном спорте, практически перестало быть догмой, что ещё раз подтвердило огромную роль ледовых технологий в борьбе за абсолютные скоростные достижения в беговых коньках.

Ещё одна причина для систематизации и обобщения всех новейших достижений в этой области - это заметный всплеск дилетантизма в вопросах структурирования ледовых покрытий. Конечно, это прикладная область, но всётаки НАУКИ, и требует понимания, как минимум, таких терминов, как твёрдость, прочность или жёсткость льда.

В публикациях же прослеживаются постоянная путаница и подмена этих понятий, а главное - отсутствие понимания, какие свойства МАССИВА или ПОВЕРХНОСТИ льда являются определяющими для каждого конкретного вида спорта.

Основная задача настоящей статьи - показать реальные возможности современных ледовых технологий и подробнее остановиться на разработках последних лет "ГП Холодильный центр" в области структурирования ледового массива с задаваемыми физико-механическими свойствами для различных видов спорта и различных задач на крытых ледовых объекта.


Анализ научных работ и собственный опыт исследования процессов намораживания и поддержания свойств ледового массива в лабораторных условиях и на аренах конькобежных и хоккейных стадионов позволили определить три основных этапа создания ледового массива.

  • Определение критериев, обеспечивающих получение льда с определённым комплексом физико-механических свойств для конкретного вида спорта, т.е.ПЕРЕВОД субъективных, эмоциональных, описательных пожеланий и требований спортсменов и тренеров на язык физических терминов и моделей. Разработка физической модели "ледового пирога" для конкретного вида спорта.
  • Разработка методов структурирования массива с заданными физико-механическими свойствами. Это, прежде всего:Разработка прецизионных методов воздействия на верхний обновляемый поверхностный слой льда.
    • определение требований к составу воды, степени её очистки;
    • обоснование способов нанесения и толщины каждого разливаемого слоя;
    • установление последовательность изменения температуры каждого наносимого слоя;
    • определение химического состава каждого слоя;
    • учёт параметров воздушной среды.
  • ВСЁ ЭТО и составляет Технологическую карту заливки ледового массива для конкретного вида спорта: предельно жёсткого для конькобежцев, более мягкого, режелирующего и упругого для фигуристов, прочного и трещиностойкого для хоккеистов и т.д. В карту входят и технические операции по нивелированию развития магистральных трещин и разломов так как микротрещины НЕИЗБЕЖНО возникают в силу разности объёмных коэффициентов расширения, и с тем большей вероятностью, чем более чистый, бездефектный и близкий по свойствам монольду "варится" массив.

          Наши исследования показали, что воздействие на массив и на поверхность льда - ЭТО ДВЕ САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ задачи, но только сочетание того и другого позволяет создать индивидуальное, оптимальное для данного вида спорта ледовое покрытие.

          Наибольшее распространение в мировой практике получило воздействие на поверхностный слой льда. Такие работы проводятся практически всеми ведущими мировыми ледовыми центрами, технологии обработки ледовой поверхности постоянно совершенствуются, и результатом этого является непрерывное обновление абсолютных скоростных достижений даже на равнинных катках. Несмотря на закрытость подобных работ, различие в составах и методах введения ускоряющих присадок, физический механизм этого явления практически идентичен: снижение температуры кристаллизации поверхностного слоя и создание кристаллической структуры, включающей "связанную" воду, служащую дополнительной смазкой при скольжении конька и соответственно уменьшающей сопротивление трения. Таким образом, все используемые подходы к решению этой задачи базируются на трёх основных вопросах: ЧТО, В КАКИХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ и ГДЕ вводить ускоряющие составы.

          Наши разработки основаны на использовании экологически чистых веществ и химических соединений, используемых, как правило, в медицине, фармакологии (т.е. совместимых с организмом человека), а также в машиностроении в качестве антифрикционных материалов.

          Определение рекомендуемого диапазона исходных концентраций вводимых композитов, на наш взгляд, является одним из ключевых вопросов при отработке современных технологий воздействия на скользящие свойства льда. Речь идёт исключительно о микроконцентрациях вводимых добавок (в единицах ррm) ввиду того, что достигаемый позитивный результат в случае передозировки оказывается практически нивелирован возникающими "осложнениями". В первую очередь это искажение рельефа ледовой поверхности и, что не менее важно, размягчение и разрыхление поверхностного слоя льда. Последнее чревато более глубоким проникновением конька в лёд, что существенно увеличивает суммарное сопротивление скольжению и практически сводит на нет эффект от появления дополнительной смазки на поверхности скольжения. Иными словами, введение микроконцентраций специальных присадок может существенно улучшить скользящие свойства льда, залитого водой самого высокого качества очистки. При этом следует помнить, что можно в значительной степени ухудшить исходные скользящие свойства льда той же самой присадкой, но внесённой в несколько большей концентрации. Таким образом, не менее значимой стадией исследований является определение оптимального диапазона концентраций выбранного состава присадок, нарушение которого чревато не столько отсутствием положительного результата, сколько существенным ухудшением исходного качества льда.

          Появление поверхностных дефектов после завершения кристаллизации разлитой на лёд плёнки жидкости 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 меньшей. Жидкость "сворачивается", и на ледовой поверхности образуются дефекты (рис. 1а.): выпуклый рельеф, ухудшающий визуальное восприятие и по характерным размерам дестабилизирующий устойчивое скольжение конька. Таким образом, химическое воздействие на ледовую поверхность - это зона ПРЕЦИЗИОННО точных МИКРОКОНЦЕНТРАЦИЙ, образно говоря, техническая гомеопатия. Любое превышение концентрации ("передоз") чревато разрушением структуры самого массива и ухудшением условий скольжения.

          рис.1а

          Рисунок 1 - Рельеф ледовой поверхности:

          Рисунок 1,а - при концентрации присадок выше допустимой.

          Предлагаемые нами составы наиболее эффективных композитов, диапазоны концентраций входящих в них компонентов и технологии их введения защищены пятью патентами Российской Федерации.

          Ещё один аспект: где вводить присадки? Оптимальная концентрация веществ в поверхностном слое достигается различными способами. В частности, можно вводить присадки в микродозах в воду для заливки поверхностного обновляемого слоя или в несколько больших количествах при формировании серединных слоёв "ледового пирога". В последнем случае нужная концентрация на поверхности достигается по истечении определённого времени путём диффузии к поверхности молекул вводимых веществ к поверхности в твёрдом ледяном растворе.

          Выбор той или иной технологии определяется в первую очередь видом спорта и соответственно требованиями к механическим свойствам ледового массива. Так, например, для конькобежного спорта наиболее предпочтителен первый способ, так как диффузия примесей к поверхности "разрыхляет" ледяной массив, снижая его твёрдость, что в итоге приводит к ухудшению скоростных свойств льда. Для хоккея на первый план выходит увеличение прочности льда, способности противостоять агрессивным разрушающим механическим нагрузкам, минимизация сколов и трещин на поверхности. Для этого необходимо с определёнными промежутками модифицировать также структуру внутренних слоёв, снимая возникающие напряжения и придавая ледяному массиву большую пластичность.

          Особое внимание следует обратить на то, что проблемы искажения поверхности актуальны не только в том случае, когда активные соединения вводятся направленно для снижения сопротивления скольжению. Это острая проблема и для хоккейных полей.

          На рис.1а показана искажённая характерным выпуклым рельефом ледовая поверхность, залитая водой с концентрацией присадок выше допустимой, а на рис. 1,б и в видны знакомые уже "косички" и "оспинки", но это следствие химических выделений из материала рекламы, традиционно наносимой на лёд хоккейного поля. Так необходимый и финансово оправданный атрибут - РЕКЛАМА - в зависимости от состава материала может привести к таким плачевным последствиям. Замечу, что последние две фотографии сделаны на катке, принимающем игры высшей лиги.

          рис.1б   рис.1в
          Рисунок 1б, Рисунок 1в - в результате воздействия химических выделений из материала рекламы, нанесённой на лёд хоккейного поля

          Изучение природы возникновения поверхностных дефектов позволило определить и экспериментально апробировать группу веществ и соединений, введение которых вместе с ускоряющими присадками способно нивелировать, А ТОЧНЕЕ, предотвращать появление искажений ледовой поверхности. Эти вещества активно используются на предприятиях военно-промышленного комплекса для обеспечения наиболее высокой степени чистоты поверхности и минимизации коэффициента трения.

          Второе требование к хоккейному льду - это прозрачность верхней части массива, позволяющая чётко видеть разметку поля и рекламные изображения, а также минимум снежной стружки, скрывающей разметочные линии и искажающей траекторию шайбы в центральной зоне поля.

          Ещё одна достаточно актуальная и востребованная задача - это применение специальных методов воздействия на ледовое покрытие для проведения развлекательных программ, красочных шоу в рамках телевизионных трансляций. Здесь мы могли бы порекомендовать специальные добавки, изменяющие оптические свойства льда: поверхность становится более блестящей, сверкающей, возможно размещение голографических изображений, отражающих элементов и т.д.

          Возвращаясь к задачам большого спорта, отметим, что для конькобежцев наиболее действенным способом улучшения результатов является увеличение ТВЁРДОСТИ ледовой основы: при равных температуре льда и составе водыреальная глубина проникновения конька в лёд и соответственно суммарная площадь поверхности трения на твёрдом льду гораздо меньше. Мы уже много писали о методах формирования ледового массива, по твёрдости близкого монольду. Технологические карты такого массива защищены патентом РФ.

          Однако, когда речь идёт об измерении твёрдости ледовой поверхности, то наиболее распространённые статические методы и приборы НЕПРИМЕНИМЫ. Они основаны на внедрении (вдавливании) в течение определённого времени твёрдых тел - инденторов в тело льда с приложением статической нагрузки. Охладить инденторы, приборы и грузы и прецизионно поддерживать их температуру на уровне температуры поверхности льда в течение всего времени измерения - задача практически невыполнимая - это раз. Они проникают внутрь льда на определённую глубину, а нас интересует твёрдость поверхности - это два. Инденторы травмируют и подплавляют поверхность - это три. И, наконец, в статических методах воздействие механической нагрузки происходит во ВРЕМЕНИ, а не мгновенно, как от конька, -это четыре.

          В связи с изложенным наиболее достоверным для решения данных задач представляется ДИНАМИЧЕСКИЙ метод, или метод Шора. Он основан на измерении интервала времени между отскоками шарика от поверхности льда. Расшифровка и обработка звукового файла (рис.2) позволяет определять степень диссипации энергии во время удара, которая служит мерой твёрдости поверхности. При этом поверхность льда не травмируется.

          ht2007-07_2

          Рисунок 2 - Расшифровка звукового файла при измерении твердости поверхности льда ди-намическим методом

          Теперь о прочности льда: это хоккейная прерогатива. Воздействие конька хоккеиста жёсткое и агрессивное, скорости велики, нагрузки носят ударный характер и направлены под различными углами к поверхности льда. Наличие сколов, накопление снежного крошева (рис.3) нежелательно. Поэтому для хоккея нами разработана иная технология заливки массива льда, основанная на введении специальных промежуточных слоёв и формирующая лёд существенно менее хрупкий, выдерживающий большие разрушающие нагрузки. Испытания образца льда, намороженного по технологии, разработанной нами для хоккейных ледовых покрытий, проводились нами в соответствии с существующим характером воздействия конька хоккеиста на лёд. Фрагмент таких испытаний представлен на рис. 4. Первый скол на таком образце появился на глубине 12-15 мм только после многократного ударного воздействия. Аналогичный образец, намороженный из той же воды, но без введения добавок, скалывался практически от первого воздействия идентичной силовой нагрузки и разрушался на 2-3-м ударе. Предложенная технология предусматривает комплекс мероприятий по снятию термических напряжений в течение процесса намораживания ледового массива и введение промежуточных слоёв с композитными присадками, увеличивающими возможность пластической деформации льда без его разрушения.

          рис.3

          Рисунок 3 - Характер повреждений ледовой поверхности коньками хоккеистов

          ht2007-07_4

          Рисунок 4 - Испытания на прочность льда, изготовленного по специальной рецептуре для хоккейных полей

          Важным показателем качества ледового покрытия является изотермичность поверхности, которая может быть обеспечена только тщательным соблюдением всех технологических операций изготовления охлаждаемой бетонной плиты ледового поля. Неоднородность бетона, недостаточная фиксация элементов трубной системы и многое другое могут создать неравномерность распределения температуры на плите и ледовой поверхности. Ведущие позиции в этой области занимает фирма "Русьэнергомонтаж", располагающая отработанными технологиями и имеющая значительный опыт выполнения и монтажа охлаждаемых технологических плит различной конструкции: от мобильных катков до бетонных полей крупнейших Дворцов спорта и конькобежных овалов.

          Ещё одна актуальная ледовая задача - покрытие для кёрлинга. Нами разработаны специальные добавки и составы для нанесения пабблов на основную поверхность. Микродобавки этих веществ позволяют существенно увеличить срок "жизни" пабблов - не стираться до конца игрового периода.

          И наконец, к настоящему времени нами разработан и запатентован ряд принципиально новых методов создания комбинированных ледовых покрытий, отдельные участки которых существенно отличаются по своим физико-механическим свойствам. Так, для конькобежцев - это твёрдый и предельно скользкий на прямолинейных участках и более вязкий и "упругий" на виражах во избежание падений. Для хоккея - различный по свойствам лёд в центральной зоне, на вратарской площадке и за воротами, где его надо практически армировать, так как там происходят основные столкновения и баталии между хоккеистами.

          • Таким образом, направленное воздействие на кристаллическую решётку льда во время формирования ледового массива таит в себе ОГРОМНЫЕ, во многом ещё не использованные технические возможности. Полученные результаты уже дали до 30-35% прироста скользящих свойств льда.
          • Введение микродоз специальных присадок, модифицирующих молекулярную структуру поверхностного слоя льда позволяет дополнительно снижать сопротивление трения конька, что в сочетании с первым пунктом выводов до 50-55% улучшает скользящие свойства льда.
          • Химическое воздействие на обновляемый слой - это ледовая гомеопатия, или зона сверхмалых концентраций.
          • Разработаны практические методы формирования ледовых массивов для конькобежного спорта, хоккея, фигурного катания, кёрлинга; для них созданы индивидуальные заливочные карты.

          В заключение статьи следует отметить, что разработка ледовых технологий как самостоятельное направление научных исследований стала необходимой составляющей основной деятельности нашей компании: системной проектной разработки искусственных ледовых полей и связанных с ними инженерных систем хладоснабжения, кондиционирования, водоподготовки и т.д.

          Современные требования к качеству различных ледовых покрытий, в свою очередь, обуславливают необходимость расширения возможностей систем хладоснабжения в плане регулирования температурного уровня и интенсивности теплоотвода от поверхности кристаллизации, так как это один из наиболее существенных способов влияния на кристаллическую структуру ледового массива.

          Наше предприятие принимало непосредственное участие в проектировании таких крупнейших и значимых для России ледовых объектов, как ККЦ "Крылатское", Ледовый Дворец спорта на Ходынском поле, а в настоящий момент - строящихся ледовых олимпийских объектов в г. Сочи. Технические задания на проектирование этих объектов, предназначенных для проведения соревнований самого высокого международного ранга, требовали создания для них инженерных систем, с помощью которых можно формировать ледовое покрытие с задаваемыми физико-механическими свойствами и экспериментально отрабатывать новые научные подходы и методики.

          В нашей компании создано научное подразделение, которое, опираясь на обобщение отечественных и зарубежных работ в области физики льда, экспериментальные исследования и апробацию результатов, за последние три года сформировало свою собственную школу "ледоварения".

          В настоящее время заказчики и эксплуатационные службы большинства спроектированных с нашим участием ледовых сооружений, как демонстрационных, так и тренировочных (а их уже более 40) заказывают нам соответствующие разделы проектов, позволяющие использовать новые современные технологии заливки льда и контроля его качества.