ТАЙНЫ ЛЕДОВОГО ДВОРЦА, или Хроники первых побед на льду Крылатского

Лёд тронулся, господа любители конькобежного спорта, спортсмены и их тренеры! После долгих лет если не провала, то, несомненно, определённого спада, российские беговые коньки имеют реальный шанс вернуть себе былую славу и достойное место в "обойме" мировой конькобежной элиты. Дело в том, что начиная с конца 80-х годов, а именно с момента постройки первых крытых конькобежных центров в Херенвейне (Голландия) и Калгари (Канада) и "переезда" соревновательного и тренировочного процесса под крышу, российские конькобежцы остались без своей базы и на долгое время стали заложниками графика проведения сборов на арендованных ледовых дорожках дальнего зарубежья. Год начала эры крытых катков стал и завершающей точкой в череде российских побед: в 1987г. Николай Гуляев последним из россиян занял высшую ступень пьедестала почёта чемпионата мира по конькобежному спорту. Далее началась полоса практически безраздельного господства голландцев, лишь изредка перемежаемого американцами и норвежцами.

Открытие уникального Крытого конькобежного центра в Крылатском (далее - ККЦ), построенного в невероятно короткие сроки по инициативе Московского правительства, коренным образом изменило ситуацию. По составу холодильного оборудования, уровню технического оснащения, спортивно-технологических и инженерных систем он вполне может и обязан стать одной их ведущих конькобежных арен мира, а также базой для подготовки нового поколения российских скороходов.

Дело за малым. Не секрет, что все без исключения мировые конькобежные центры уже давно работают со льдом, для чего привлекают мощный научный потенциал, создают специализированные лаборатории и активно "химичат" с добавками и присадками, целенаправленно изменяющими скользящие свойства ледовой поверхности. И работы эти, естественно, закрытые. Никто не спешит делиться результатами, так как каждое улучшение абсолютных скоростных достижений поднимает, прежде всего, рейтинг и ледового центра, и всей страны и, как следствие, формирует представление об их месте в мировой табели о рангах. Чем большее количество рекордов установлено на конкретном катке, тем чаще Международный Союз конькобежцев (ISU) проводит на нём мировые первенства и Кубки, и эти мероприятия не только способствуют подъёму национальный престижа, но и приносят значительные экономические выгоды.

Учитывая важность первых стартов на первом в России крытом конькобежном комплексе, на стадии подготовки к Чемпионату мира 2005 г. руководство ККЦ в Крылатском поручило "ГП Холодильно - инженерный центр" создать научную группу, одной из задач которой был поиск и обобщение всей существующей информации о результатах наиболее успешных зарубежных исследований в области подготовки и эксплуатации скоростного льда (т.е. так называемая "инженерная разведка"). Нам была предоставлена возможность выбора: либо пытаться копировать и воспроизводить в максимальном приближении методы ведущих мировых конькобежных центров, либо на основесобственных исследований разрабатывать свою, принципиально отличную от других физическую модель скоростного льда и методов химического воздействия на скользящие свойства поверхности. Мы выбрали второй путь.

Многолетний опыт пребывания " в теме" и возможность реального сотрудничества с ведущими российскими учёными стали нашей стартовой позицией. Российские физики традиционно занимали ведущее место в фундаментальных исследованиях структурных превращений льда и создании способов управления его химико-физическими свойствами и, несмотря на сложности последних десятилетий, не утратили их до сих пор. В состав научной группы кроме сотрудников "ГП Холодильно- инженерный центр" вошли специалисты Института криосферы Земли Сибирского отделения АН РФ, кафедры Химии и электрохимической энергетики МЭИ (ТУ), РГУФК и др.

Сразу оговоримся, что в данной работе нас интересовало не столько снижение коэффициента трения µ бегового конька по льду, сколько минимизациясуммарной силы сопротивления скольжению F, пропорциональной произведениюµS, где S - реальная площадь контакта лезвия конька и льда.

Анализ динамики движения спортсмена показал, что для льда оптимальной по этому показателю может быть модель "жёсткого сухарика с тонким слоем масла", т.е. в основе лёд должен быть предельно твёрдым, препятствующим чрезмерному заглублению конька, и иметь на своей поверхности тонкий мягкий слой с высокими скользящими свойствами. Наличие скользящей плёнки, с одной стороны, снижает фрикционное взаимодействие конька и льда, а с другой - поддерживает необходимое сцепление лезвия со льдом, не позволяющее коньку "срезаться", что особенно важно при прохождении виражей.

Методика получения жёсткой подосновы - твёрдого льда, практически не содержащего механических примесей и максимально лишённого собственных дефектов кристаллической решётки (ионов гидроксида, гидроксония и ориентационных дефектов Бьеррума), - была экспериментально апробирована при намораживании льда на беговых дорожках ККЦ в Крылатском и впоследствии защищена патентом РФ.

В данной публикации хотелось бы подробнее остановиться на второй части задачи: методике физического и химического воздействия на поверхностный (мягкий) слой льда.

Такой слой толщиной до 1 мм получается при кристаллизации слоя воды, наносимого на соструганную поверхность основного массива жёсткого льда при прохождении заливочной машины. Известно, что при замораживании воды, содержащиеся в ней примеси кристаллизуются в последнюю очередь и вымораживаются в направлении границы раздела фаз, т.е. концентрируются на поверхности. Поэтому предварительная очистка воды для залива льда является необходимым условием получения льда с прогнозируемыми параметрами скольжения, в том числе и для тех случаев, когда для повышения скольжения в уже очищенную воду вводятся микроколичества различных веществ.

Станция водоподготовки производительностью 100 м3 /час в ККЦ в Крылатском (рис.1) обеспечивает глубокую многоуровневую обработку воды, включающую следующие основные стадии:

• очистка воды от механических примесей (фильтрование);
• осветление воды и удаление активного хлора с помощью активированного уголя;
• умягчение (удаление солей жесткости на ионообменнике);
• обессоливание до 98-99% (обратный осмос);
• удаление растворенных газов путём вакуумной и термической деаэрации;
• УФ - обеззараживание воды

Рисунок 1 - Станция водоподготовки в ККЦ в Крылатском

После очистки в ходе экспериментов вода имела значение удельной электропроводности 5-7мкСм см^-1, рН до 7.8, содержание растворенного кислорода - до 1 мг/л.

Для заливки верхнего слоя льда использовали как воду, прошедшую весь цикл очистки, так и "коктейли", составленные из воды, отобранной на различных этапах водоподготовки. Особое внимание уделялось удалению растворенных газов и предотвращению повторной аэрации во время заливки, так как наличие пузырьков воздуха в толще льда существенно снижает его прочность и "предельный возраст", т.е. время, в течение которого он сохраняет деформационную устойчивость. Основной компонент растворенных в воде газов - это кислород. Поэтому кроме традиционных методов термической и вакуумной деаэрации воды были использованы методы катодной униполярной электрохимической обработки и введение в воду микроколичеств восстановителей.

Современное развитие науки и техники позволяет прогнозировать отдельные свойства льда на молекулярно-кристаллическом уровне. Так, например, по результатам исследований ряда ученных незначительное внедрение примесей одних химических соединений приводит к упрочнению поверхности льда за счет образования D - дефектов Бьеррума, а добавление других - к его размягчению вследствие развития дефектов кристаллической решетки Бьеррума L-типа [2].

Параметры скольжения поверхностного слоя льда определяются дефектностью его кристаллической решетки, которая, в свою очередь, связана с присутствием в деаэрированной воде ионных и молекулярных примесей. Эти примеси по разному ведут себя при кристаллизации льда. Примеси замещения и междоузельные примеси, образующиеся соответственно при замещении молекулы воды инородной молекулой и при внедрении инородной молекулы между узлами решетки, оказывают незначительное влияние на структуру льда. Примеси внедрения могут образовывать собственные структуры, жестко не связанные со структурой льда, и присутствовать в нем не только в кристаллической, но и жидкой фазе. В то же время следует иметь в виду, что физические методы сильного и слабого воздействия на воду, такие как, магнитная обработка и ультразвуковая обработка, структуризация воды, градиентное термическое воздействие и ряд других, оказывают заметное влияние на структуру льда и требуют специальных дополнительных исследований.

Нами было проведено введение в микроконцентрациях ряда примесей, способных искусственно увеличивать количество носителей ориентационных дефектов кристаллической решётки и, следовательно, делать лёд более мягким. В программу экспериментального исследования входило также определение оптимального диапазона концентраций искусственно вводимых примесей.

Эксперименты проводились с тремя группами присадок:

• композиты различных веществ на растительной основе (собственные разработки);
• поверхностно-активные вещества (ПАВ);
• водоспиртовые растворы.

Состав присадок первой группы - композитов - базировался на примесях, добавление которых, по данным [2], приводит к образованию дефектов Бьеррума L - типа и эффекту размягчения поверхностного слоя льда.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) выбраны для исследования потому, что согласно одной из современных теорий фрикционного взаимодействия малое сопротивление трения льда обусловлено наличием на его поверхности "квазижидкой" или "жидкообразной" плёнки. Молекулы ПАВ вследствие их дифильности выталкиваются из объёма воды на поверхность раздела фаз вода - воздух. В результате накопления на поверхности раствора молекул ПАВ, слабо взаимодействующих между собой, происходит снижение поверхностного натяжения и растекание молекул ПАВ по достаточно большой предоставленной им поверхности. Такая плёнка при соответствующих концентрациях, находясь в конденсированном состоянии, с полным основанием может считаться двумерной и выполнять функцию псевдосмазки, уменьшающей трение конька в поверхностном слое. В описываемых экспериментах в основном использовались пленкообразующие амины, общая формула которых может быть записана в следующем виде

В случае предельных заполнений поверхности воды молекулами ПАВ на основе аминов происходит ориентированная адсорбция молекул на поверхности раздела фаз водного раствора, причем гидратирующая аминная группа будет ориентироваться по направлению к воде, а гидрофобная (углеводородный радикал) - к поверхности раздела фаз, образуя на ней пленку ПАВ [1].

Выбор водоспиртовых растворов в качестве присадок обусловлен более низкой температурой их замерзания по сравнению с водой. Логично было предположить, что при соответствующем подборе концентрации температура замерзания водоспиртового раствора будет в пределах 1°C ниже температуры замерзания основного монолита льда, в результате на его поверхности образуется тонкая плёнка "смазки", которая согласно другой гипотезе значительно снижает сопротивление трения.

В рамках настоящей работы был рассмотрен и апробирован достаточно широкий спектр направлений воздействия на поверхностный слой. Связано это прежде всего с тем, что, несмотря на более чем вековую историю исследования фрикционного взаимодействия льда с твёрдыми телами, в настоящее время ещё нет единой теории, способной дать полное описание механизма низкого трения льда, а следовательно, и универсального метода повышения его скользящих свойств [3-7].

Для проведения экспериментальных исследований влияния различного физико-химических воздействий на суммарную силу сопротивления движению конькобежца нами совместно со службами ККЦ был разработан и изготовлен прибор - скользиметр, имитирующий движение конькобежца (рис. 2).

Рисунок 2 Внешний вид прибора, имитирующего движение конькобежца - скользиметра

Выводы, сделанные на основе экспериментов со скользиметром, с достаточной степенью достоверности могут быть перенесены на движение реального конькобежца, так как удельная весовая нагрузка на лезвие бегового конька такого устройства идентична нагрузке, передаваемой на лёд конькобежцем.

Прибор действует по принципу передачи импульса постоянной величины упругим элементом 4 (рис. 3) к подвижной части скользиметра, состоящей из пары беговых коньков 3, установленных на раме 2 с набором грузов 1, имитирующих массу спортсмена и обеспечивающих при этом постоянное удельное давление на лед. Расстояние, пройденное "коньками" в результате полученного импульса (при прочих равных условиях), является показателем скользкости льда.

Рисунок 3 - Прибор для оценки качества скольжения льда: 1- набор грузов - имитатор веса;  2- рама;  3- коньки беговые;  4- упругий элемент;  5- фиксатор;  6- толкатель;  7- зарядный механизм;  8- задающее устройство;  9- ограничитель;  10- ручка;  11- основание;  12- стопор

Особую сложность при проведении экспериментальных работ в активно функционирующем ледовом центре представляло создание условий сопоставимости экспериментальных данных, полученных в различные дни, на различных участках ледовых дорожек и при разном освещении. В частности, на графиках и диаграммах были сведены данные, относящиеся к одной конкретной температуре льда и световому режиму. Так, например, повышение температуры льда на 1,5:2 °C по отношению к номинальному значению приводит к уменьшению пробега скользиметра, как минимум, на 10 - 15 %.

На рис.4 представлены некоторые результаты исследования скользящих свойств льда, полученные в период подготовки к юношескому чемпионату Европы и чемпионату мира по классическому многоборью 2005 г. Скользящий слой наносился сначала ручной установкой для заливки льда, а затем льдозаливочной машиной. На диаграмме приведены данные, полученные после машинной заливки. Скользящий слой наносили на жёсткую ледяную подоснову толщиной 35мм, выполненную по специально разработанной технологической карте заливки с использованием термических и механических методов упрочнения. В качестве базового для сравнения был принят результат, полученный на воде, прошедшей все стадии очистки, включая обратный осмос (столбец 1 на рис.4). Длина пробега скользиметра несколько увеличилась после магнитной обработки воды (на 5-6%). Существенно повысило скользкость льда введение ПАВ (до 13%). Самые лучшие стабильные и воспроизводимые в разных сериях экспериментов результаты были получены после добавления композита собственной разработки - длина пробега увеличилась более чем на 20% (подана заявка на оформление патента РФ). Для конькобежного спорта, в котором фиксируются улучшения скоростных достижений на сотые доли секунды, это огромный ресурс, значение которого переоценить трудно.

Рисунок 4 - Влияние обработки и состава воды на скользящие свойства льда Варианты обработки воды:  1- все стадии очистки, включая обратный осмос (база);  2- дополнительная магнитная обработка базовой воды;  3- введение ПАВ в базовую воду;  4- введение композита разработки авторов в базовую воду

Экспериментальные данные по водоспиртовым растворам не нашли отражения в диаграмме в связи с тем, что в допустимом диапазоне следовых концентраций раствор "свертывался" на поверхности льда и образовывал пупырчатую поверхность, пригодную больше для кёрлинга, чем для скоростного бега на коньках. Этот эффект, возможно, обусловленный разностью сил поверхностного натяжения, ограничил использование спиртовых добавок. В определённом достаточно узком диапазоне концентраций удавалось получать гладкую поверхность льда и некоторое (в пределах 5-7%) увеличение пробега скользиметра, однако на применение растворов таких концентраций необходимо было получать дополнительное разрешение, на оформление которого времени уже не оставалось.

Далее были проведены исследования влияния процентной концентрации композита на скользящие свойства льда, результаты которых представлены на рис.5. Как и можно было предположить, зависимость имеет экстремум. Действительно, исчезающе малое количество искусственно вносимых с примесями ориентационных дефектов кристаллической решётки не позволит в нужной степени размягчить поверхностный слой льда. Избыточная их концентрация может вызвать размягчение более глубоких слоёв льда, более глубокое проникновение лезвия конька в лёд и, как следствие, увеличение суммарной силы трения. Более того, увеличение концентрации примесей выше так называемых следовых значений ограничивается чрезвычайно строгими санитарно-гигиеническими требованиями к состоянию воздушной среды на спортивных объектах при проведении соревнований мирового ранга.

Рисунок 5 - Экспериментальная зависимость влияния концентрации в воде композита собственной разработки на скользящие свойства льда

Таким образом, экспериментальным путём была определена оптимальная зона значений концентрации композита в воде для заливки верхнего слоя, при которой беговой конёк испытывает минимальную силу сопротивления скольжению F. Для конькобежца такой лёд обеспечивает максимальную длину пути скольжения при фиксированной силе отталкивания, или, следуя слэнгу спортсменов, лёд "держит и несёт". Способ создания сверхбыстрого ледового покрытия на основе композита собственной разработки подтвердил свою состоятельность не только значительным увеличением скользкости, но также достаточно длительным временем сохранения скоростных свойств льда. Это, в свою очередь, является существенным параметром, позволяющим обеспечивать равные условия скольжения как для конькобежцев на протяжении всей дистанции, так и для стартующих позднее.

Таким образом, в сроки, предельно короткие для решения реальных научно-технических задач, силами российских специалистов и учёных были созданы новая, принципиально отличающаяся от зарубежных методика физического и химического воздействия на структуру льда и технология его намораживания. К сожалению, не все параметры сверхбыстрого льда удалось реализовать на практике, в частичности, из-за того, что инженерные системы только что построенного комплекса ещё не до конца освоены техническим персоналом. Однако и то, что удалось воплотить благодаря высочайшему мастерству ледовой службы катка, получило единодушно высокую оценку спортсменов, тренеров и специалистов Международного союза конькобежцев:

"Это лучший лёд в Европе, и по абсолютным результатам каток ККЦ в Крылатском стоит на третьем месте в мире, уступая лишь высокогорным Солт-Лейк Сити и Калгари, где показываются более высокие результаты за счёт снижения аэродинамического сопротивления". В завершение приведём оценку, данную льду Крылатского в интервью "СпортЭкспрессу" чемпионами мира американцами Чедом Хедриком и Шейни Дэвисом.

Чед Хедрик: "Теперь о качестве льда. Он само совершенство, просто супер! Уверен, на равнине более быстрый лёд сделать нельзя."

Шейни Дэвис: "Это самая восхитительная конькобежная арена в мире! Лёд прекрасный! В пятницу он был ещё лучше, чем в субботу и воскресенье. Будь наоборот, я, уверен, установил бы мировой рекорд в многоборье".

И ещё чуть-чуть о рекордах. На первых же стартах Европейских игр юниоров в 133 забегах было установлено 99 личных рекордов и 2 мировых юниорских. На чемпионате мира только среди женщин было установлено более 30% личных рекордов, в том числе и чемпионкой мира-2005 Анни Фризингер, а также 2 мировых рекорда на 3000 и 5000м у юниоров. А ведь это мировая элита конькобежного спорта, которая многократно стартовала и на высокогорных катках. И всё это, несомненно, говорит о том, что возможности современной науки в мире большого спорта не только до конца не исчерпаны, а наоборот, только начинают использоваться всерьёз.

В заключение от имени всей научной группы выражаем большую признательность Г.М. Панову (первому члену Совета Международного Союза конькобежцев), д-ру техн. наук А.В. Шавлову (Институт криосферы Земли СО РФ), д-ру техн. наук В.Л. Эвентову (Российский научный центр хирургии РАМН), а такжеруководству и техническим службам ККЦ за оказанную помощь и содействие в проведении работы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нефедкин С.И. Научно-практические основы и разработка электро-химических методов и устройств для обработки и мониторинга водных технологических сред, содержащих органические вещества.// Вестник МЭИ. 2002, N2, С. 29-38.
2. Шавлов А.В. Лёд при структурных превращениях. - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1996.
3. Bowden F. P. and Tabor D. The Friction and Lubrication of Solids II, 1964.
4. Henk Gemser, Jos de Koning, Gerrit Jan van Ingen Schenau. Handbook of Competitive Speed Skating, 1999.
5. Katutosi Tusima. A Review on Mechanisms of Friction of Ice, 1976.
6. Katutosi Tusima. Challange to Skating Rink by an Ice-stalagmite, 1999.
7. Katutosi Tusima and Toshihiro Kiuchi. Development of high-speed ice-skating rink, 1998.