Наши контакты:
ice4sport@gmail.com
+7 (495) 610-76-81
ГП Холодильно-инженерный центр
Научно-техническая и проектная организация
СВЕРХБЫСТРЫЙ ЛЁД: ИЛЛЮЗИИ И РЕАЛЬНОСТЬ
|
« Назад 02.08.2013 00:06 
Недавно прошедший на экранах телевизоров документальный фильм Леонида Парфёнова "О, спорт, ты - мир, О, МИР, ТЫ - СПОРТ", как бы подытожил смещение акцентов в ставшем уже привычным словесном рефрене. В последние годы спорт из умеренного увлечения одних и фанатичного "боления" других частей населения уже практически превратился в общевселенское шоу; мировые первенства и Олимпиады стали центрами притяжения миллионов людей, транслируются по всему миру и занимают прайм-тайм всех ведущих телеканалов. Поэтому неудивительно, что за стремительным ростом спортивных достижений, частой сменой рекордов и невероятной зрелищностью соревнований мирового ранга стоят самые современные технологии, научно-технические разработки и огромные средства, вложенные в развитие профессионального спорта. Скоростной бег на коньках - один из самых зрелищных зимних видов спорта, в котором регистрируются временные мировые рекорды, то есть абсолютно лучшие результаты, показанные конькобежцами в беге на ту или иную дистанцию. Международный союз конькобежцев (ISU) ведёт постоянный учёт всех мировых рекордов, регулярно публикует их списки с указанием достигнутых результатов, фамилий рекордсменов, даты и места установления рекорда. Все рекордные результаты, установленные в течение сезона, проходят техническую проверку и ежегодно утверждаются Советом ISU. После этого все обладатели новых мировых рекордов получают от Международного союза конькобежцев специальный диплом, удостоверяющий их авторство. По выражению одного из известнейших теоретиков и специалистов конькобежного спорта Матвеева Л.П. высшие (абсолютные) спортивные достижения являются своего рода эталонами человеческих возможностей в тот или иной момент его истории. Причём, применительно к конькобежному спорту мировой рекорд зеркально отражает не только физическую, техническую, психическую и волевую подготовку спортсмена, не только его спортивную одарённость, но и научно-техническое развитие спортивной базы в целом. В частности, - качество спортивного инвентаря, экипировки и, разумеется, уровень подготовки и качество льда. В последние годы идёт активное негласное соревнование не только между конькобежцами и национальными сборными, но и между крытыми конькобежными центрами за первенство в количестве установленных мировых рекордов, к индустрии разработки методов получения сверхскользкого льда подключены огромные научные и инженерные силы. Чем больше мировых рекордов установлено на конкретном катке, тем, естественно выше его престиж, тем больше шанс выиграть право на проведение крупнейших международных соревнований. Таким образом, использование новейших научных достижений напрямую связано не только с понятием национального престижа в спорте, но и с весьма конкретными экономическими факторами. Так что же всё-таки представляет собой понятие сверхбыстрый лёд? Оговоримся сразу, что определённой доли субъективности в данном вопросе не избежать в силу того, что сопротивление трения конька в значительной мере зависит от удельной нагрузки на скользящую поверхность, то есть от веса, размера ноги спортсмена, его антропометрических данных, распределения усилия при отталкивании и.т.д. Однако результаты исследований большинства отечественных и зарубежных учёных позволяют сформулировать комплекс вполне технически корректных требований к физико - механическим свойствам льда, призванным обеспечить наилучшее скольжение конька по льду. Очевидно, что отчёты специализированных лабораторий по этой тематике редко публикуемы и достаточно закрыты. Несмотря на то, что нам удалось найти, перевести и сопоставить результаты работ по физике льда наиболее признанных мировых научных центров, анализ материалов подтвердил недостаточную изученность этих вопросов и необходимость проведения собственных экспериментальных исследований. Работы проводились по заказу "Дирекции крытого конькобежного центра в Крылатском" (ККЦ) силами специалистов "ГП Холодильно-инженерный центр", Института криосферы Земли Сибирского отделения РАН и Московского энергетического института (ТУ). Этот первый в России крытый конькобежный стадион в феврале 2005 года должен принять Чемпионат мира по многоборью в скоростном беге на коньках. Надо отдать должное руководству комплекса и его Директору Загайнову М.В. за внимание, которое им уделяется не только штатным инженерным мероприятиям по обеспечению необходимого качества льда, но и разработке и использованию уникальных научных методик и способов создания льда с программируемым набором свойств. Важнейшим аспектом этой работы является также постоянное сотрудничество с Первым членом Совета ISU Пановым Г.М., обладающим уникальным опытом, знанием современных тенденций развития конькобежного спорта и владеющим обширной базой данных по параметрам льда и тепло-влажностным характеристикам воздуха на всех крытых конькобежных стадионах, принимавших мировые Чемпионаты.
Программа подготовки льда для Чемпионата мира в ККЦ в Крылатском предусматривает использование сочетания и физических, и химических методов воздействия на лёд. В данной статье мы остановимся на описании отдельных способов физического воздействия на структуру льда; результатам анализа химических методов будет посвящена отдельная публикация. Основной задачей данного исследования было получение льда не с минимальным коэффициентом трения µ, а с 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 ) и твердым: в этом случае конёк не входит глубоко в лёд, не "вязнет" и суммарная поверхность лезвия, погружённого в лёд, невелика. Зависимость силы сопротивления трения от температуры льда изучена достаточно подробно [1,2,3,4,5]. Со снижением температуры возрастает коэффициент трения, но лёд при этом становится более жёстким и уменьшается реальная площадь соприкосновения лезвия конька и льда, - разнонаправленное действие этих двух факторов обусловливает экстремальный характер зависимости F=f(µ,S). Качественный характер этой зависимости, экспериментально полученной на Факультете "Human Movement Sciences" независимого Университета в Амстердаме, представлен на Рис.1.
В основу одной из самых неординарных и одновременно самых трудоёмких и наукоёмких технологий получения сверхбыстрого льда был положен достаточно известный в физике факт: лёд сравнительно легко сдвигается в базисной плоскости кристаллической решётки и гораздо хуже - в поперечном направлении. На идее использования кристаллов льда однородной ориентации был построен феноменальный эксперимент по созданию "сталагмитного питомника" и выращиванию монокристаллов льда для конькобежного Центра в Нагано (Япония). Автор и руководитель этого грандиозного проекта - японский учёный Кацутоси Цусима, по его собственному признанию, вышел на эту идею проводя эксперименты по изучению трения между ледяной плитой и поверхностью шара. Кривые трения отличались от одного кристаллика к другому, как были разными и следы от трения на поверхности каждого кристаллика. Ледовые сталагмиты, естественным образом выраставшие за зиму до размеров 200-300 мм на выходе из тоннеля в долине Куробэ, навели исследователя на мысль искусственного выращивания подобных гигантских монокристаллов в условиях, максимально приближенных к термодинамическому равновесию. При этом выяснилось, что во многих случаях главная ось этих монокристаллов расположена либо вертикально, либо горизонтально. Это открытие и легло в основу осуществления мечты о катке из ледовых сталагмитов. Для создания ледяной подложки на катке площадью 5800 м ² необходимо 300 млн. кристаллических зёрен. Однако, если использовать кристаллы диаметром 100-150 мм, то их количество можно уменьшить до 300-500 тыс. штук. Это тоже огромное число, но вызов был брошен. И наконец, 23 сентября 1998 года конькобежные дорожки олимпийского объекта "Эмвейв" были полностью выложены ледовыми сталагмитами. Для этого было использовано 600 тыс. ледовых дисков, выпиленных из 14 тыс. ледовых сталагмитов. В работах по выращиванию, нарезке, распиливанию, укладке в охлаждаемые контейнеры, распаковке и последующем быстрейшем раскладывании их на катке принимало участие в общей сложности более 10 тыс. человек. Итоговые тесты доказали снижение трения на сталагмитной части катка по сравнению с базовой на целых 22%! Для конькобежного спорта, где борьба идёт за десятые и сотые доли секунды, такой результат имеет неоценимое значение. Однако, принимая во внимания невероятную трудоёмкость, огромную стоимость, необходимость в разработке и создании искусственных холодильных камер длиной более сотен метров и другого специального оборудования, этот путь применительно к ККЦ в Крылатском представляется нам если и не тупиковым, то по крайней мере - весьма нерациональным. Наш подход к увеличению "скользкости" льда при сохранении его прочности состоит в реализации двухслойной модели льда. Верхний слой, толщиной не более 1 мм - сверхмягкий со специально введёнными ингредиентами для улучшения скольжения. Нижний слой - предельно твердый для того, чтобы ограничивать слишком глубокое проникновение конька в лёд. Получение сверхтвёрдого льда в нижнем слое позволит также несколько увеличить температуру поверхности, в результате чего мягкость и скользкость верхнего слоя ещё более возрастёт. Нами в различных комбинациях предложены различные способы увеличения твёрдости льда. Способы увеличения твердости Чтобы 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:
Наиболее важными мерами, ведущими к увеличению твердости, являются 1) и 3). В принципе, принятие хотя бы одной из перечисленных мер ведет к увеличению твердости. Способы увеличения мягкости Задача увеличения мягкости противоположна задаче увеличения твердости. Наиболее мягким является, как правило, высокодефектный лед, т.е. лед, содержащий большое количество примесных и собственных дефектов. Для увеличения мягкости желательно:
Заметим, что воздействие на лёд в целях увеличения его прочности - задача не менее актуальная и для хоккейных полей, так как разрушения, наносимые коньками хоккеистов гораздо существеннее и масштабнее, учитывая силовой характер катания, продолжительность периодов и число спортсменов, одновременно находящихся на льду. В отличие от твёрдых тел испытание льда на твёрдость и прочность в силу его особых свойств является, как известно, весьма трудоёмкой и практически нерегламентированной задачей. Так, при исследовании твердости по Бриннелю или Виккерсу в поверхность исследуемого материала вдавливают твердосплавный шарик или алмазный наконечник в форме правильной четырехгранной пирамиды. Твердость оценивают по отношению величины нагрузки к площади поверхности отпечатка. Значения твердости льда зависят и от его реологии, и от времени приложения нагрузки. Выбирают, как правило, длительное время воздействия. При этом необходимо тщательное термостатирование образца и инструмента. При испытаниях поверхность льда не должна выкрашиваться при воздействии инструмента. Диаметр отпечатка измеряется с использованием микроскопа. Испытания прочности не менее трудоемки. Они проводятся на испытательных стендах со специально подготовленными для этого образцами льда заданной геометрической формы. В условиях действующего катка при жестком графике его эксплуатации традиционные методы испытания оказываются мало приемлемыми. Необходимо было разработать оперативные методики измерения, требующие минимального времени измерения и без изъятия из ледового тела катка значительных объемов льда. Нами была предложена экспресс-методика оценки прочностных свойств льда при ударно разрушающем воздействии. Устройство, с помощью которого реализуется данная методика, изображено на рис.2.
Металлический шарик массой 134 г и диаметром 32 мм скатывается с высоты 1 м с нулевой начальной скоростью по наклонному желобу под углом 45 градусов к поверхности льда. Шарик ударяется о лед, оставляет на поверхности льда отпечаток в виде лунки глубиной менее 1 мм, в которой лед разрушен и деформирован. Затем шарик отскакивает от поверхности льда на небольшую высоту и вновь ударяется о лед на некотором расстоянии от места первого соударения. Мы определили зависимость таких параметров, как длина отскока шарика (расстояние между первой и второй точками соударения) и диаметр первого отпечатка, от температуры льда и способов его предварительной обработки. Наиболее чувствительным параметром оказалась длина отскока. Во время каждого испытания прочности определялась температура поверхности льда. Точные измерения температуры поверхности льда (с точностью до 0,1°С) предъявляют специфические требования к конструкции датчиков термпературы. Помимо высокой точности измерения контактный датчик должен обеспечивать хороший тепловой контакт со льдом, иметь малую теплоёмкость (датчик в момент касания поверхности не приводит к заметному нагреву льда) и малую теплопроводность (имеется в виду, минимизировать постоянный подвод тепла извне). Нами был изготовлен медь-константановый термопарный контактный датчик, удовлетворяющий указанным требованиям. Датчик за время, равное нескольким секундам, приходит в тепловое равновесие со льдом. Точность измерения температуры с его помощью превышает 0,1°С. Кроме термопары для измерения температуры использовался бесконтактный стандартный цифровой пирометрический термометр (тип Х) с ценой деления шкалы 1°С Его точность была оценена при помощи вышеописанной термопары в 1°С. На рис.3 изображена температурная зависимость длины отскока шарика от поверхности льда. Длина отскока пропорциональна квадратному корню энергии упругого взаимодействия шарика со льдом. Каждое значение длины отскока получено усреднением по не менее, чем десяти, результатам измерений. Различные значения температуры льда были получены путем выбора соответствующих мест на катке (на катке имеются зоны с различной температурой). Значение температуры -2°С было получено нагреванием льда с помощью фена. Из рис.3 видно, что длина отскока увеличивается с повышением температуры льда. Объяснить данную зависимость можно исходя из представления о путях диссипации энергии удара во льду. Основная часть энергии удара тратится на разрушение льда. Часть энергии расходуется на пластическую деформацию. Очень малая часть энергии запасается механизмом упругой деформации (высота отскока шарика не превышает нескольких миллиметров). Упругая деформация чувствительна к наличию трещин во льду: чем больше трещин, тем меньше энергии запасается в упругой деформации. Объяснение зависимости длины отскока от температуры заключается в том, что при повышении температуры лед становится пластичнее, при этом, больше энергии расходуется на пластическую деформацию и меньше на разрушение (трещинообразование). В результате энергия упругой деформации увеличивается и длина отскока шарика возрастает.
На рис.4 показано влияние термообработки льда и термообработки с последующим нагружением на длину отскока шарика. Длину отскока измеряли при температуре поверхности льда -4°С. Термообработку льда перед измерениями проводили воздушным феном. Длительность обработки составляла 5 мин/м². При этом поверхностный слой льда плавился. После термообработки выжидали время, необходимое для релаксации температуры поверхности к первоначальному значению. Механическая обработка поверхности льда заключалась в приложении ко льду сжимающей нагрузки массой около 100 кг через фторопластовый цилиндр диаметром 60 мм. В этом случае давление на лёд достигало 0,3 МПа (примерно в десять раз меньше предела прочности льда). Время приложения нагрузки составляло 10 мин.
Из рис.4 следует, что после термообработки поверхности льда длина отскока шарика от обработанной поверхности возрастает. Эффект увеличивается, если дополнительно к термообработке применить механическую обработку. Данная зависимость может иметь следующее объяснение: в процессе термо, а так же термомеханической обработки льда происходит залечивание многочисленных трещин и царапин, в результате, концентрация трещин уменьшается, больше энергии запасается в упругой деформации, длина отскока шарика увеличивается. На рис.5 изображена зависимость длины отскока шарика от длительности механической обработки льда. Температура поверхности льда при измерениях составляла -4°С. Видно, что с ростом длительности механической обработки наблюдается некоторое увеличение длины отскока шарика от обработанной поверхности. Это можно также объяснить эффектом залечивания трещин и дефектов решетки льда в процессе механической обработки.
Площадь отпечатка шарика при соударении с поверхностью льда является характеристикой менее чувствительной к температуре и способам обработки льда, чем длина отскока. Тем не менее с ее помощью могут быть выполнены оценки предела прочности льда, а также выявлены некоторые особенности его разрушения. Отметим, что точность измерения площади отпечатка на льду тесно связана с качеством его визуализации. Одним из наиболее удачных оказался способ визуализации с помощью тонкой алюминиевой фольги (менее 100 мкм толщиной), которую расстилали на поверхности льда перед ударом. Отпечатки фотографировали и обрабатывали на компьютере. Фотография типичного отпечатка на льду показана на рис.6.
Следует заметить, что характер разрушения льда, закрытого металлической фольгой несколько отличается от характера разрушения в случае свободной поверхности. Это отличие, например, проявляется в значении длины отскока шарика, см. рис.7. Длина отскока от поверхности, закрытой фольгой, заметно выше. Это может быть объяснено тем, что фольга удерживает кусочки разрушенного льда в области отпечатка, не дает им выкрашиваться и уносить часть упругой энергии. Поэтому длина отскока шарика от поверхности льда, покрытого фольгой, выше.
Площадь отпечатка вычисляли по фотографии отпечатка с помощью программы Adobe Photoshop 7.0. Программа позволяет вычислять площадь выделенного участка при помощи гистограмм. Типичное значение площади отпечатка составило около 80 мм² при температуре -6°С. По площади отпечатка оценивался предел прочности льда. В результате были получены следующие значения: глубина проникновения шарика в лёд составляет l=0,82 10-3 м и предел прочности льда при ударных нагрузках P=5,1 106Па. Полученная величина предела прочности находится в удовлетворительном согласии с известными литературными данными [6]. При использовании техники визуализации отпечатка шарика на поверхности льда с помощью фольги и его фотографирования нами было исследовано влияние термо- и термомеханической обработки льда на площадь отпечатка. Результаты измерений приведены на рис.8. Измерения выполнены при температуре -5°С. Из рис.8 следует, что площадь отпечатка увеличивается после термообработки и еще больше возрастает после термомеханической обработки. Данный эффект можно объяснить тем, что при термо- и термомеханической обработке льда уменьшается концентрация трещин в нем. Общая же площадь трещин должна остаться неизменной (при неизменной энергии соударения). Это может быть достигнуто за счет увеличения объема разрушенного льда. Т.е. после термомеханической обработки лед разрушается на более крупные фрагменты, чем до нее.
Результаты исследования прочностных характеристик при ударном разрушении льда, позволяют выработать ряд простых рекомендаций по его упрочнению:
В заключение отметим, что работы по совершенствованию ледового покрытия активно ведутся всеми ведущими конькобежными центрами Нового и Старого света, к ним привлечены серьёзные научно-технические и инженерные силы. Естественно, что в условиях жесточайшей конкуренции национальных конькобежных школ, роста престижа побед и борьбы за право принимать крупнейшие международные соревнования, никто не спешит делиться своими новейшими достижениями и наработанными технологиями. Направления исследований самые разнообразные, многие конькобежные Центры, такие, как Schaatscentrum Oosterhaven в Нидерландах, выбирают в качестве основного направления создание и продвижение на профессиональный рынок самосмазывающихся коньков с дозированной искусственной смазкой на основе экологически чистой жидкости, впоследствии быстро удаляемой с поверхности льда. Для нас же отраднее всего, что и наш лучший первый (и пока единственный!) крытый конькобежный центр в Крылатском не остаётся в стороне от самых передовых исследований и руководство в не самых простых условиях уже построенного и эксплуатирующегося катка находит возможность привлекать ведущих отечественных специалистов для разработки своих уникальных рецептов сверхбыстрого льда. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
|
