https://frosthead.com

Η λεία επιστήμη της κατασκευής ολυμπιακών χιονιού και πάγου

Κανείς δεν πίστευε ότι ο Brian Shimer είχε μια πιθανότητα. Σε δύο μήνες ντροπαλός των 40, ο Αμερικανός bobsledder έφτασε στους Ολυμπιακούς Αγώνες του Salt Lake City το 2002 με τέσσερα χειμερινά παιχνίδια κάτω από τη ζώνη του, αλλά χωρίς ολυμπιακά μετάλλια. Έτσι, όταν η ομάδα του πέταξε μέσα από την πίστα και κέρδισε αυτό το πολυαναμενόμενο χάλκινο, όλοι ήταν έκπληκτοι - εξίσου από όλους τους Shimer. '' Δεν ξέρω τι μας οδήγησε τόσο γρήγορα στο λόφο '', δήλωσε στους The New York Times . '' Η ηλεκτρική ενέργεια στον αέρα, το πλήθος κουνώντας και φωνάζοντας. ''

σχετικό περιεχόμενο

  • Γιατί ο πάγος Curling είναι διαφορετικός από τον άλλο πάγο

Σίγουρα η υποστήριξη του πλήθους - μαζί με την έντονη εκπαίδευση της ομάδας και τις ακριβείς στροφές του Shimer - ήταν αποφασιστικής σημασίας. Αλλά ένας άγνωστος ήρωας χειμερινών αθλημάτων έπαιξε πρωταγωνιστικό ρόλο στο θρίαμβο της ομάδας: ο πάγος.

Σε ένα άθλημα όταν μόνο εκατοστά του δευτερολέπτου χωρίζουν τους νικητές και τους ηττημένους, κάθε κρούση που προκαλεί τριβή ή αυλάκωση έχει σημασία. Και ο πάγος φθείρει τις υπερωρίες, οπότε ο Shimer και η 17η θέση της ομάδας του θα μπορούσαν εύκολα να είναι ένα μειονέκτημα. Ωστόσο, το έλκηθρο τελείωσε στο πέμπτο και τα έθεσε για το χάλκινο. "Δεν μπορείτε να το κάνετε αυτό εάν ο πάγος δεν είναι συνεπής", λέει ο Tracy Seitz, διευθύνων σύμβουλος του καναδικού παγοδρομίου που είναι γνωστό ως το Συρόμενο Κέντρο Whistler, το οποίο φέρνει το "ταχύτερο κομμάτι πάγου στον κόσμο". ήταν επίσης ένας από τους λεγόμενους "Ice Masters" του Salt Lake City, οι οποίοι ήταν επιφορτισμένοι με την πρόκληση να δημιουργηθούν οι ιδανικές πίστες για τους αθλητές παγκόσμιας κλάσης.

Υπάρχουν πολλά περισσότερα για να κάνετε πάγο από ό, τι συναντά το μάτι. Σε μοριακό επίπεδο, το χιόνι και ο πάγος των Ολυμπιακών μαθήματα είναι ακριβώς το ίδιο πράγμα που κάνει τους χιονάνθρωπους, αποκλείει την πόρτα σας και στέλνει ανυποψίαστους παρευρισκόμενους που φροντίζουν τις οδοί. Όλα τα κατεψυγμένα ύδατα αποτελούνται από μόρια διατεταγμένα σε εξαγωνική δομή παρόμοια με μια κηρήθρα. Όμως, ο πάγος που καλύπτει τις ελικοειδείς ολισθαίνουσες διαδρομές για bobsled, luge και σκελετό ή το σταθερό, πεπλατυσμένο χιόνι μιας πίστας σκι είναι ακριβώς διαμορφωμένο και διαμορφωμένο κατά τη διάρκεια των μηνών που οδηγούν στα παιχνίδια, βελτιστοποιώντας τις ιδιότητες αυτών των παγωμένων μορφών νερού.

"Δεν είναι απλώς ένα παγωμένο πάγο, όπως συνήθως σκέφτεστε, όπως παγάκια που κάθονται στον καταψύκτη σας" λέει ο Kenneth Golden, ένας μαθηματικός στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα που μελετά τις δομές του πάγου. "Είναι μια πολύ πιο συναρπαστική και πολύπλοκη ουσία από ότι οι άνθρωποι θα σκέφτονταν κανονικά".

BobsldRun.jpg Οι Shimer (μπροστά), ο Mike Kohn, ο Doug Sharp και ο βραχίονας Dan Steele σταματούν μετά την ολοκλήρωση της τρίτης τους πορείας στο Ολυμπιακό Πάρκο Γιούτα στο Park City, Γιούτα, κατά τους Χειμερινούς Ολυμπιακούς Αγώνες του 2002. (Εικόνες του στρατού των ΗΠΑ / κοινά Wikimedia)

Πάγος, πάγος, ίσως

Το πρώτο βήμα για την κατασκευή οποιουδήποτε παγοδρομίου ή διαδρομής είναι να καθαρίσετε το νερό για να απομακρύνετε διαλυμένα στερεά όπως τα άλατα και τα μέταλλα. Τέτοιες ακαθαρσίες δεν ταιριάζουν στην κανονική εξαγωνική δομή του πάγου που σχηματίζεται ως πάγωμα νερού. Το ίδιο πράγμα μπορεί να δει κανείς στον πάγο της θάλασσας, εξηγεί ο Χρυσός, ο οποίος αποκλείει το άλας του ωκεάνιου ύδατος καθώς παγώνει, δημιουργώντας ένα ρεύμα επιπλέον αλατούχου υγρού κάτω από τον πάγο. Αλλά σε ένα παγοδρόμιο ή τροχιά, οι ακαθαρσίες συλλέγονται μεταξύ των κρυστάλλων ή σπρώχνονται στην επιφάνεια, δημιουργώντας μικρές αδυναμίες στον πάγο. Όπως λέει ο Seitz, "όσο πιο καθαρό είναι το νερό, τόσο πιο πυκνό θα ήταν η πλάκα πάγου", που μεταφράζεται σε μια πιο συνεκτική επιφάνεια.

Η ποιότητα και η καθαρότητα του πάγου είναι τόσο σημαντική ώστε μια ειδική θέση - ο Ice Master - δημιουργήθηκε για να εξασφαλίσει τη βιωσιμότητά του. Ξεχάστε τους γλύπτες που κάνουν περίπλοκα γλυπτά πάγου. Οι πάστρελοι του πάγου σχηματίζουν πάγο σε μερικές από τις πιο εντυπωσιακές δομές στη γη. Τουλάχιστον ένα χρόνο πριν από τα Games themselves , ψεκάζουν εκατοντάδες χάρτινα λεπτά στρώματα αυτού του πολύ καθαρού νερού σε σκυρόδεμα ή παγοδρόμιο, το οποίο ψύχεται από ενσωματωμένο σύστημα ψύξης για ταχεία κατάψυξη. Χρειάζονται περίπου πέντε μέρες χωρίς διακοπή εργασίας για να τεθεί η κατεψυγμένη διαδρομή για ένα bobsled τρέξιμο, λέει ο Seitz.

Αυτή η διαδικασία εμποδίζει τον σχηματισμό στιβάδων παγετού, που σχηματίζονται όταν υγρός αέρας παγώνει πάνω από την παγωμένη επιφάνεια. Τα στρώματα πάγου μπορούν να παγιδεύσουν φυσαλίδες αέρα στον πάγο, οι οποίες μπορούν να βγάλουν το δρόμο τους σαν μικροσκοπικά φώτα. "Δεν το θεωρούμε [ρέον] ως υγρό, αλλά είναι πολύ υγρό και κινείται συνεχώς", λέει ο Seitz. "Αυτά τα στρώματα αέρα στον πάγο θα δημιουργήσουν αδυναμίες που μπορεί να ξεσπάσουν και να δημιουργήσουν αντιφάσεις στην επιφάνεια του πάγου". Για ένα bobsled, ένα μικροσκόπιο μπορεί να προκαλέσει αναπήδηση ενός έλκηθρου, διαιωνίζοντας το πρόβλημα. "Ένα χτύπημα δημιουργεί δύο χτυπήματα δημιουργεί τρία χτυπήματα, και επάνω και επάνω και επάνω", λέει.

Άλλα αθλήματα με βάση τον πάγο, όπως χόκεϊ, πατινάζ και κούρδισμα, χρησιμοποιούν παρόμοια σχολαστική επίστρωση. Αλλά για κάθε άθλημα, η ιδανική θερμοκρασία πάγου και πάχος είναι διαφορετική. Ο παγοδρομικός πάγος, για παράδειγμα, διακρίνει τον παχύτερο και θερμότερο πάγο: Η επιφάνεια περίπου δύο ιντσών κρατιέται γύρω από ένα ζεστό 25 βαθμών Φαρενάιτ, το οποίο επιτρέπει στους σκέιτερ να αγκιστρώσουν τα πατίνια τους στον πάγο όπως είναι απαραίτητο για να εκτελέσουν τα άλματα και τα γυρίσματα .

Μερικές από τις μαγεία δεν είναι μόνο στη μηχανική - είναι από τη φύση του ίδιου του πάγου. Στις άκρες της, τα μόρια νερού στον πάγο δεν είναι τόσο κλειδωμένα στην κηρήθρα όσο στο κέντρο της, δημιουργώντας ένα υγρό στρώμα γνωστό ως προ-τήγμα που λιπαίνει την επιφάνεια και πιστεύεται ότι δίνει στον πάγο την μοναδική ολισθηρή ποιότητα. Η έντονη πίεση ενός πατίνι ή λεπίδας που εφαρμόζεται σε ένα μικροσκοπικό λουρί πάγου μπορεί να πιέσει ελαφρώς το σημείο τήξης του, το οποίο πιθανώς συνεισφέρει σε αυτό το λεπτό στρώμα νερού. Ελαφρά τήξη από την τριβή μιας ολισθαίνουσας λεπίδας στην επιφάνεια θεωρείται επίσης ότι προσθέτει υγρό στο μείγμα.

Κάποιοι Ice Masters προσπαθούν δημιουργικά μέτρα για να επιτύχουν την τέλεια επιφάνεια. Ανάμεσα στους λάτρεις των πάγων, υπάρχει ένας μακρύς μύθος ότι η μουσική μπορεί να βοηθήσει στην κρυστάλλωση του πάγου. Για τους Ολυμπιακούς Αγώνες του 2014 στο Σότσι, ο Μάστορας του πάγου Δημήτρης Γκριγκόριεφ έπαιξε την κλασσική μουσική - το "Four Seasons" του Βιβάλντι, για να είμαστε ακριβείς - ενώ βάζουμε την παγωμένη πίστα. "Είχαμε κλασική παίζοντας εδώ, έτσι ώστε ο πάγος κρυσταλλοποιείται με τον σωστό σκληρό τρόπο, όχι ροκ μουσική, όχι σιωπή», είπε σε NPR, προσθέτοντας: «Είμαι σοβαρός γι 'αυτό, κοιτάξτε το!» (NPR το κοίταξε, και δεν υπάρχει αξιόπιστη επιστήμη για να υποστηρίξει αυτόν τον ισχυρισμό.)

Ο Seitz δεν εντυπωσιάζεται από τέτοιες δεισιδαιμονίες. "Αν θέλουμε να κάνουμε οτιδήποτε πιθανότατα ανατινάμε μουσική βαρέων μετάλλων", λέει -για το πλήρωμα, όχι τον πάγο. Διατηρεί το πλήρωμά του "ξύπνιο και σκληρό" κατά τη διάρκεια των εξαντλητικών ωρών εργασίας για την τοποθέτηση του στίβου, λέει.

DTMF5X.jpg Η Καρολίνα Κωστνέρ της Ιταλίας, μετά την παράσταση στο γυναικείο πατινάζ που παίζεται ελεύθερα κατά τη διάρκεια των χειμερινών Ολυμπιακών Αγώνων του 2014 στο Σότσι της Ρωσίας. (Tribune Content Agency LLC / Alamy)

Το πιο χιόνι

Ως δάσκαλος διδακτορικού, η Sarah Konrad έχει ξοδέψει αρκετό χρόνο για να σκέφτεται το χιόνι. Αλλά η σχέση της με τα λευκά πράγματα είναι επίσης πιο προσωπική: Συναντιόταν σε αμφότερες τις εκδηλώσεις σκι αντοχής και σκι αντοχής στους Χειμερινούς Ολυμπιακούς Αγώνες του 2006 στο Τορίνο της Ιταλίας στην ηλικία των 38 ετών - η πρώτη αμερικανίδα που συμμετείχε σε δύο αθλήματα στους χειμερινούς αγώνες.

Παραδόξως, οι πιο αργές συνθήκες για τα χιονισμένα αθλήματα είναι εκείνες που ψάχνουν οι σκιέρ αναψυχής: η πρόσφατα πεσμένη σκόνη.

Σε αντίθεση με τον πάγο που σχηματίζεται από το νερό κατάψυξης, το χιονιού σχηματίζεται από την κρυστάλλωση της υγρασίας ή των ατμών του νερού στην ατμόσφαιρα όταν είναι "υπερψυχόμενη" ή ψύχεται ακριβώς κάτω από το σημείο πήξης. Για να σχηματίσουν πραγματικά ένα κρύσταλλο, ο υδρατμός πρέπει να συναντήσει κάτι, όπως ένα σκόνισμα σκόνης, για να προκαλέσει την κρυστάλλωση του. Ακριβώς γιατί αυτά τα σωματίδια είναι απαραίτητα και πώς βοηθούν στο σχηματισμό του χιονιού είναι ακόμα υπό συζήτηση, αλλά χωρίς αυτά πρέπει να είναι εκπληκτικά κρύο - αρκετά κάτω από -20 βαθμούς Φαρενάιτ - για να σχηματίσουν τους πάγους κρυστάλλους μόνοι τους.

Μόλις αρχίσει, ο κρύσταλλος προσελκύει άλλους υπερψυγμένους ατμούς νερού για να συσσωρεύονται σε περίπλοκα σχήματα. Οι κοινές έξι "φτερωτές" νιφάδες χιονιού, όπως τις ονομάζει ο Κονράντ, αντανακλούν την εξαγωνική διάταξη των ίδιων των κατεψυγμένων μορίων ύδατος. Αν και πανέμορφοι, αυτές οι περίπλοκες νιφάδες δεν είναι βέλτιστες για τον αθλητισμό. Οι άκρες και οι γωνίες που κάνουν τις νιφάδες χιονιού τόσο οπτικά ελκυστικές σημαίνουν επίσης την τραχύτητα για μια σκι πάνω από την κορυφή, και αργή για τους Ολυμπιονίκες. "Είναι μια ανώμαλη επιφάνεια, ακόμη και σε μικροσκοπικό επίπεδο", λέει ο Konrad, ο οποίος είναι σήμερα ο διευθυντής του προγράμματος στο Πανεπιστήμιο του Wyoming.

Αλλά μόλις το χιόνι αγγίξει το έδαφος, το σχήμα του snowflake αρχίζει να αλλάζει. Εκτός από τις επιπτώσεις του ανέμου και άλλων φυσικών δυνάμεων, η νιφάδα χιονιού αργά μεταμορφώνεται με την πάροδο του χρόνου, γίνεται πιο συμπαγής και στρογγυλεμένη. "Πηγαίνετε από αυτό το φτερωτό, περίπλοκο κρύσταλλο σε κάτι που μοιάζει περισσότερο με ένα ρουλεμάν", λέει ο Konrad. "Αυτό είναι πολύ γρηγορότερο, επειδή έχει λιγότερες τραχείες άκρες."

Ορισμένοι οικοδόμοι εμπειρογνωμόνων προτιμούν ακόμη και το τεχνητό χιόνι - το οποίο, όπως λένε, έχει ένα "παλιό χιόνι" χωρίς την προσπάθεια γήρανσης - στις φυσικές νιφάδες. Αυτό το χιόνι δημιουργείται ψεκάζοντας μια λεπτή ομίχλη νερού και πεπιεσμένου αέρα κατά τη διάρκεια της πορείας. Η επέκταση του αέρα ψύχει την υγρασία και την κρατά ψηλά, εξασφαλίζοντας επαρκή χρόνο πήξης. Οι κρύσταλλοι δεν έχουν τις απαραίτητες συνθήκες και χρόνο για να σχηματίσουν περίπλοκες έξι φτερούρες, λέει ο Κόνραντ, ώστε το προκύπτον σχήμα να είναι προβλέψιμο, καθιστώντας εύκολο το να δουλεύεις με το κτίριο. "Αλλά αυτό παίρνει κάποια από τη διασκέδαση έξω από αυτό", προσθέτει ο Konrad.

Για τα αλπικά μαθήματα, όμως, πολλές εργασίες πηγαίνουν για να εξασφαλιστεί η διαδρομή είναι γρήγορη και ανθεκτική. Οι μηχανικοί θα βρέξουν συχνά την επιφάνεια και στη συνέχεια θα επιτρέψουν να ανακατασκευαστεί, δημιουργώντας μια σφιχτά γεμάτη, γρήγορη πορεία. Αλλά αν το χιόνι είναι πολύ βρεγμένο ή ο αέρας είναι πολύ ζεστός, το μάθημα θα γκρεμιστεί γρήγορα και θα καταρρεύσει. Οι υπεύθυνοι για τα μαθήματα χιονιού ξοδεύουν τους μήνες που τείνουν στις διαδρομές που οδηγούν στα παιχνίδια -διαμορφώνουν συνεχώς και ανασχηματίζουν κάθε γωνία και γήπεδο για να επιτύχουν την τέλεια ισορροπία ανάμεσα σε μια σταθερή, γρήγορη πορεία και ένα φύλλο πάγου.

Φυσικά, μερικές φορές οι ιδιοτροπίες του καιρού είναι αδύνατο να διορθωθούν. Αυτό ήταν ένα ζήτημα στα παιχνίδια του 2014 στο Σότσι, όπου ασυνήθιστα θερμές συνθήκες οδήγησαν σε ανεπιθύμητα μαθήματα και σε κοκκώδη ή "ζαχαρούχα" χιονιά. Για τους ημι-σωλήνες, περισσότεροι από τους μισούς ανταγωνιστές έπεσαν κατά τη διάρκεια των προκριματικών γύρων. Ο δύο φορές ολυμπιονίκης Hannah Teter κάλεσε το σωλήνα "επικίνδυνο" και "crappy."

Για το cross-country σκι, λέει ο Konrad, "Οι συνθήκες θερμότητας είναι όπου τα κεριά και η δομή σας γίνονται εξαιρετικά σημαντικά". Διάφοροι συνδυασμοί κεριών εφαρμόζονται στους πυθμένες των σκι - συχνά με κυριολεκτικό σιδέρωμα - για να τους βοηθήσουν να γλιστρήσουν εύκολα πάνω στο χιόνι. Και αν χρησιμοποιήσετε το λάθος κερί, εξηγεί ο Konrad, "μπορείτε πραγματικά να το φυσήξετε". Οι ομάδες ξοδεύουν υπέροχα χρηματικά ποσά και χρόνο στους τεχνικούς κεριών που χειρίζονται αυτές τις αποφάσεις, οι τεχνικοί κατευθύνονται προς τα μαθήματα στα δύο χρόνια που οδηγούν στην εκδήλωση για να μάθουν για το φάσμα των συνθηκών που μπορεί να συναντήσουν και τι λειτουργεί καλύτερα σε κάθε μία.

...

Τα Χειμερινά Αθλήματα βασίζονται σε - και υπάρχουν - χάρη στις μοναδικές ιδιότητες του κατεψυγμένου νερού. Μετά από όλα, τα χρυσά σημεία, τα παγοδρομία άρχισαν λόγω του απλού γεγονότος ότι ο πάγος επιπλέει στην κορυφή μιας υγρής λίμνης. Με μια ευρύτερη έννοια, η ποικιλομορφία της ζωής που υπάρχει στους βόρειους και νότιους Πολωνούς οφείλεται στο γεγονός ότι ο πάγος σχηματίζει ένα ράφι που υποστηρίζει τη ζωή πάνω και προστατεύει το ρευστό πεδίο κάτω. Ως Χρυσή Θαύματα: "Είναι όλα αυτά εξαιτίας αυτού του ενός μικρού πράγματος: επειδή η στερεή μορφή του νερού είναι λιγότερο πυκνή από την υγρή μορφή".

Ωστόσο, καθώς το κλίμα θερμαίνεται και η χιονόπτωση καθίσταται ολοένα και πιο σπάνια σε ορισμένες περιοχές, τα εξωτερικά χειμερινά σπορ έχουν απειληθεί. Στο Σότσι, οι διοργανωτές δημιούργησαν αρκετό χιόνι για να καλύψουν 1.000 γήπεδα ποδοσφαίρου, καλύπτοντας τις ογκώδεις σωρούς με μονωμένες κουβέρτες γιόγκα-ματ. Μαζί με την τεχνολογία για να δημιουργήσουν τεχνητό χιόνι και να διατηρήσουν το χιόνι από χρόνο σε χρόνο, αυτοί οι τύποι διορθώσεων μπορεί να γίνουν όλο και πιο σημαντικοί για τους Ολυμπιακούς Αγώνες τα επόμενα χρόνια.

Ευτυχώς, αυτό δεν είναι η ανησυχία στο PyeongChang, όπου το Φεβρουάριο άνεμος ψύχεται συνήθως σε ενιαία ψηφία. Στην πραγματικότητα, οι θερμοκρασίες μπορεί ακόμη και να πέσουν κάτω από τις βέλτιστες συνθήκες για κάποια αθλήματα: Για τον bobsled, λέει ο Seitz, σε θερμοκρασίες κάτω από 23 βαθμούς Farenheit, ο πάγος είναι εξαιρετικά εύθραυστος. Για το cross-country σκι, λέει ο Konrad, η "ευτυχισμένη θερμοκρασία" είναι περίπου 25 βαθμούς Φαρενάιτ. οποιοδήποτε ψυχρότερο και χιόνι γίνεται ξηρό και αργό.

Ο Κονράντ παίρνει όλες τις συνθήκες σε βηματισμό. "Από την άποψη της σκιέρ, δεν υπάρχει πραγματικά το καλύτερο χιόνι, όσο υπάρχει και είναι συγκρίσιμο για όλους τους ανταγωνιστές, είμαστε συνήθως αρκετά χαρούμενοι", λέει.

Αλλά όσο υπάρχουν χειμωνιάτικα παιχνίδια, δεν θα υπάρξει έλλειψη των παραγόντων και των συνθηκών που λαμβάνουν υπόψη οι σχολαστικοί Ice Masters κατά την παραγωγή του μέσου. Μετά από 45 λεπτά ομιλίας πάγου, ρώτησα τον Seitz για τυχόν αποσπασματικές σκέψεις για το παγωμένο νερό. "Θα μπορούσα να συνεχίσω και να συνεχίζω για πάντα", λέει.

Η λεία επιστήμη της κατασκευής ολυμπιακών χιονιού και πάγου