-冬奥里的科技

2018-11-01 09:01来源:未知

  与往年相比,2018年的农历春节格外热火朝天:第23届冬季奥运会在韩国平昌拉开帷幕,来自90多个国家和地区的近3000名选手共聚一堂,切磋竞技。

  冬奥会的好看,除了不懈努力、奋勇拼搏的运动健儿,“友谊第一、比赛第二”的竞赛精神,科技在其中同样发挥了重要作用。

  开幕式上,1218架无人机点亮了夜空,并创造了“同时放飞数量最多无人机”的吉尼斯世界纪录;逾1.1万公里的通信及电视转播线路,架设了基站集群,搭建起完整的5G网络环境;360视频和VR技术的介入,可以更好地帮助运动员备战,包括赛前场地检查、熟悉路线等等

  1994年,在挪威利勒哈默尔冬奥会上,由于担心鸟类无法承受极寒天气,主办方不得不取消了原定在开幕式上放飞鸽子的计划。更为糟糕的是,据气象学家们的测算,2018年冬奥会可能成为自利勒哈默尔冬奥会以来最为寒冷的一届。

  因此,对于一直致力于国家队制服设计的设计师与工程师来说,在美观与符合空气动力学之外,如今需要考虑的因素又多了一项:对抗极端气候下的严寒。

  在这一方面,来自太平洋对岸的美国代表队为我们提供了一种全新的解决方案:在队服里装备加热装置,以此来帮助运动员赶走低温困扰。

  在本届冬奥会开幕式上,美国代表队以一袭红、白、蓝三色相间的外套亮相。衣服看似普通,实则“暗藏玄机”:外套中藏有电子导热金属墨水制成的条纹,并被设计成美国国旗的形状,其功效类似于电热毯,可以持续供热5~11个小时。

  那么,这件神奇的发热外套究竟是如何工作的呢?细长的锂离子电池组上设有按钮,运动员按下按钮就能激活自动保温外套。开关启动后,电子会在银墨中涌动,直到碰到电阻式的碳垫,进而产生热量。据了解,这款发热外套具备三档温度,运动员可以根据所需自行调节。

  据美国代表队队服制造商介绍,这项技术的灵感来源于汽车的加热座椅,只不过这套运动服的弹性更为出色。另外,美国代表队在闭幕式上穿着的白色防水短夹克,同样利用了基于导电墨水的保温技术。

  除了统一的队服,美国雪车队的运动员也在本届冬奥会上配备了全新的装备。设计师们介绍,当运动员在室外赛道上以140多公里的时速行进时,这套新装备可为他们提供额外的热量。

  这些热量来自于一种被称为“ColdGear红外线”的新型织物技术,其材料包括陶瓷等在内的混合化合物,通常被设计用来锁住身体的热度。当然,设计师在兼顾保暖性能的同时也不忘初衷在运动服的肩部、上臂和背部都采用了不同的先进面料,以更好地利用空气动力原理。

  事实上,为了找寻到这种更加符合空气动力学的新材料,设计师们可谓大费周章。他们在人体模型上做了100次试验,每次都让模型穿着不同的面料。最终,一种名为“H1”的候选织物脱颖而出,进入了设计师们的视线它由尼龙和氨纶制成,独特的编织方式有助于减少风阻。

  用手指沿着一个方向触摸H1时,几乎可以明显察觉到它锯齿状或鲨鱼皮状一般的纹理。设计师表示,这种类似砂纸的表面可以扰乱运动员身体上的气流,使其在运动员身体周围环绕,然后通过缩小尾迹来减少阻力。

  作为平昌冬奥会的6个新增小项之一,单板滑雪大跳台(Big Air Snowboarders)项目开始被越来越多的人所关注。

  所谓的单板滑雪大跳台,就是选手从高处滑下来,在大跳台前进行跳跃后,再进行各种空翻、回转等空中绝技表演的比赛。此次冬奥会特别设置了一条高达49米的滑雪坡道,这意味着单板滑雪大跳台选手在可能完成惊人绝技的同时,潜在的危险也随之加大。

  为了在比赛中获得优胜,单板滑雪运动员必须控制好神经和肾上腺素,同时还要掌握能量守恒以及雪热力学等理论。而在这个动态的过程中,只要稍有不慎,选手就可能导致手腕、踝关节、膝关节的受伤。

  此次参加冬奥会单板滑雪的选手包括来自加拿大的Max Parrot以及奥地利的Anna Gasser。在不久前刚刚结束的冬季极限运动大赛中,两人分别斩获男子与女子单板滑雪项目的冠军。在那次的比赛中,Parrot完成了5次完整的侧转体(1800)和4次完整的正面翻滚转体(1440),并且每一次都完美落地。

  这并不全是天赋使然。从物理学的角度来说,Parrot、Gasser以及其他表现优异的选手,在空中除了能够凭借本能操控自己的身体进行复杂多变的旋转与扭曲等高难度动作外,还利用到了角动量原理。

  任何围绕轴旋转的物体,比如旋转中的陀螺等,都会以同样的速度持续旋转,除非外来物体阻挡了它的路线或者改变了其形状。而单板滑雪选手就如同陀螺一样:当他们在空中收回手臂,就旋转得很快;伸展手臂则相反。

  “如果猫从高处坠落,它会在空中扭转身体,然后以足落地。对单板滑雪运动员来说也是一样,只不过他们是从16层楼高的地方下落。”美国加州大学戴维斯分校天体物理学家Marua Brada表示。

  那么,这一过程具体是如何发生的呢?在空中,猫以腰为支点,先将前腿蜷缩在胸前,同时向反方向伸出后腿以改变转动惯量,这样就使得前半身旋转得更快。如此一来,猫就可在不借助外力的情况下成功旋转身体。

  但与猫不同的是,单板滑雪运动员的双脚被绑定在滑板上,而且其跳跃的精确形状也会影响运动员的动量。比如,一个急剧上升的曲线会引发向后的旋转,而单板滑雪时一个意想不到的角度,都可能直接影响着陆结果,甚至可能引发运动损伤。

  为此,科学家们利用物理学原理,对冬季公园的地形进行了建模,进而设计出了相对安全的跳跃姿势。“这并不意味着运动员可以不再受伤,但起码会降低受伤的可能性和程度。”美国科罗拉多矿业大学物理学家James McNeil表示。

  大多数的单板滑雪在跳跃时会有一个起点,紧接着是一个平坦的区域可供选手进行表演,然后是落地区域一个与地面最大成40夹角的斜坡。而大多数单板滑雪选手的受伤都发生在降落到平坦的表演区域时。

  对此,物理学家们使用“等量跌落高度”这一概念来量化这种情况下的潜在影响:一个人从49米的高空落下一定受伤,但当滑雪板以一个角度从斜坡降落,这就相等于从一个低很多的高度下落。因此,在陡坡落地更为安全,选手膝盖所受的冲击也要少得多。

  对此,国际滑雪联合会竞赛主管Roberto Moresi在一封邮件中表示:“在设计阶段,我们在考虑起飞角度和着陆角度时,会仔细观察所有的测量数据和飞行曲线。一个好的跳跃动作,会让运动员在落地时几乎感觉不到冲击,这正是我们的目标。”