В современном мире спорту, как профессиональному, так и массовому, уделяется все больше внимания. Спорт — это элемент государственного престижа, политика здоровья нации, увлекательные зрелища, притягивающие миллионы людей и крупнейшие финансовые проекты. В ледовых видах спорта конкуренция ведущих спортивных держав за право проведения Олимпийских игр и наиболее значимых мировых первенств становится всё более жёсткой год от года. Имидж каждого ледового центра и его шансы на проведение Олимпиад, чемпионатов и Кубков мира, подтверждающих статус государства и приносящих несомненные финансовые дивиденды, находится в прямой зависимости от качества льда и количества установленных на нём рекордов.
По выражению одного из наиболее авторитетных теоретиков и специалистов конькобежного спорта Л. П. Матвеева, высшие спортивные достижения являются эталонами человеческих возможностей в тот или иной момент истории. Однако к настоящему времени сложилась ситуация, когда возможности человеческого организма для дальнейшего улучшения абсолютных достижений в значительной мере уже исчерпаны. Тем не менее, обновление рекордов не останавливается и объясняется это, прежде всего, тенденцией привлечения к большому спорту наиболее современных научно-технических разработок и технологий физического и химического воздействия на скоростные свойства льда. Определённая роль отводится совершенствованию спортивного инвентаря и постоянно развивающейся фармакологии, но её доля представляется менее значительной, так как имеет большое количество ограничений и последствия воздействия на человеческий организм даже разрешённых стимулирующих средств недостаточно изучены.
Свод правил и нормативно-технических документов международных и национальных спортивных федераций не запрещает и не ограничивает возможности искусственного улучшения скольжения путём изменения природных свойства льда, определяющих результативность выступления спортсменов в различных ледовых видах спорта. Запрещению, естественно, подлежит избирательное применение этих средств, создающее заведомо неравные условия для соревнующихся спортсменов и команд. Кроме этого, использоваться могут исключительно экологически безопасные, химически пассивные вещества и соединения, не содержащие компонентов, вредных для здоровья человека.
В России при проведении Чемпионата Европы по конькобежному спорту 2008 г. в МУ КЦ «Коломна» разработанными в настоящем исследовании методами были обнаружены прецеденты избирательного использования зарубежными специалистами, готовившими лёд, методов улучшения скольжения для своей национальной сборной. Факт доставки ингредиентов для воздействия на лёд всего за несколько часов до начала соревновательного процесса свидетельствует о недостаточной стабильности используемых средств, а периодическая потеря гладкости и появление выпуклого рельефа после заливки — об отсутствии отработанной технологии даже в признанных мировых конькобежных центрах.
В спорте использование новейших научных разработок в области физики льда началось сравнительно недавно, с 80-х годов ХХ-го века, когда были построены первые крытые ледовые стадионы, исключающие влияние непредвиденных погодных условий. В ведущих «ледовых державах» — Нидерландах, Японии, Канаде, США, Германии, Финляндии, Норвегии — были созданы лаборатории, институты и специализированные центры при Олимпийских комитетах, нацеленные на изучение свойств льда и создание ледовых покрытий для различных видов спорта. Однако проблема оказалась настолько сложна, что к настоящему моменту ни одна из зарубежных научных школ не обеспечивает соревнования международного уровня стабильными и воспроизводимыми методиками улучшения скользящих свойств льда. В частности, на Олимпийских играх в Турине и Ванкувере были проблемы со льдом, и Международным Союзом конькобежцев (ГБ и) предъявлялись претензии к качеству поверхности, скольжению и идентичности макропараметров льда после штатных заливок.
На рис. 1 показан общий вид и фрагменты поверхности беговой дорожки, подготовленной голландскими специалистами с применением химических добавок для улучшения скольжения и не отвечающей предъявляемым требованиям к качеству подготовки льда.
Рис. 1. Общий вид и фрагменты беговой дорожки с дефектами ледовой поверхности.
В подобных случаях руководству принимающей стороны предъявляются рекламации и применяются финансовые санкции со стороны Технического комитета 1811 и телевизионных компаний за смещение графика трансляции соревнований, вызванного повторными обработками льда.
В России исследования в этом направлении были начаты в 70-х — 80-х годах в Институте механики МГУ научной группой академика Григоряна С. С., но в силу различных причин работы были приостановлены. Спустя 20 лет проблема создания ледовых покрытий с задаваемыми физико-механическими свойствами приобрела несомненную актуальность. К этому времени в Москве и других городах России были построены первые крытые ледовые стадионы для конькобежного спорта, и отчётливо обозначилась государственная поддержка развития, как массового спорта, так и профессионального спорта высших достижений.
Все в крытые российские конькобежные центрыпостроены, на равнине, поэтому конкурировать с зарубежными конькобежными центрами, расположенными в горах и среднегорье, они могут только при условии привлечения новейших ледовых технологий, основанных на управлении физико-механическими свойствами ледовых покрытий. Более высокое аэродинамическое сопротивление движению спортсмена по сравнению с высокогорными катками должно компенсироваться существенно меньшим сопротивлением скольжению конька. Учитывая, что возможности оптимизации макропараметров льда и тепло-влажностных характеристик воздушной среды в крытых ледовых сооружениях во многом уже исчерпаны, качественный скачок результатов возможен только при переходе на новый уровень — структурирование ледовых покрытий с прогнозируемым комплексом физико-механических свойств. Суть подхода, разработанного в настоящей работе, заключается в использовании принципиально нового инструмента — молекулярного воздействия на процесс формирования кристаллической структуры льда. Он реализуется внесением в воду для заливки льда микродоз высокомолекулярных соединений, способных ограничивать естественный рост кристаллов льда, создавая упорядоченную регулярную структуру, характеристики которой определяются концентрацией, строением и размерами вводимых молекул. В диапазоне температур эксплуатации ледовых покрытий спортивного назначения цепи вводимых молекул окружены гидратными оболочками («связанной» водой), которые при рассечении их лезвием конька служат источником дополнительной смазки и фактором существенного снижения сопротивления скольжению. В работе выдвинута и экспериментально подтверждена гипотеза о том, что функция «связанной» воды в межзёренном пространстве не ограничивается улучшением условий скольжения: она, являясь демпфером при агрессивном разрушающем воздействии конька, способна купировать возникновение и развитие трещин, снижать хрупкость, и в определённой степени придавать природному льду нехарактерное для него свойство пластичности. Модификация льда в этом направлении особенно актуальна при формировании ледовых покрытий" дляхоккея и фигурного катания, так как наибольшие проблемы в этих видах спорта связаны с хрупкими сколами льда, приводящими к падениям и травмам, большим количеством снежной стружки, мешающим скольжению шайбы и снижающим видимость разметки и рекламы. В шорт-треке при многократном прохождении спортсменами дистанции по одной и той же траектории во льду образуется глубокая колея, иногда проникающая до бетонного основания охлаждающей плиты, которая не только ухудшает ожидаемые результаты, но и провоцирует многочисленные травмы, особо опасные при групповых падениях.
Разработка молекулярных методов направленного воздействия на структуру и свойства льда открывает принципиально новые возможности для превышения скоростных рекордов в условиях равнинных катков, стимулируя проведение на них наиболее престижных и зрелищных спортивных соревнований мирового уровня. Кроме того, позволяет решать целый ряд важнейших задач государственного значения:
1. Контролировать соблюдение равенства условий для всех соревнующихся спортсменов и предотвращать имевшие место прецеденты создания особых условий для отдельных зарубежных спортсменов и команд.
2. Существенно снизить количество падений и травматизм в конькобежном спорте и фигурном катании в результате искусственного изменения физико-механических свойств льда в сторону увеличения его упруго-пластических свойств.
3. Сократить количество травм суставов и хронических заболеваний в массовом и детском спорте, вызываемых многократным выполнением прыжков и падениями на твёрдом хрупком льду без демпфирующих прослоек.
4. Существенно повысить качество льда и снизить затраты на эксплуатацию малобюджетных, преимущественно детских тренировочных комплексов, не имеющих системы водоподготовки.
5. Значительно улучшить качество телевизионной трансляции матчей в результате модификации хоккейного льда, сохранения его прозрачности, видимости рекламы, разметки, отсутствия хрупких сколов и снежной крошки.
Исследования в области создания новых методов направленного молекулярного воздействия на свойства льда, основанных на модификации ледовых структур, были начаты автором в конце 90-х годов и обобщают более чем 10-летний теоретический и экспериментальный материал. В работе отражён опыт практической реализации разработанных технологий при проведении в России многочисленных соревнований международного ранга в конькобежном спорте, хоккее, фигурном катании, шорт-треке и кёрлинге.
В преддверии зимней Олимпиады «Сочи — 2014» разработка научных основ и отечественных практических технологий структурирования ледовых покрытий представляется наиболее эффективным и востребованным направлением спортивной индустрии. Актуальность приобретает также отработка методов контроля равенства условий для всех соревнующихся спортсменов, так как современные молекулярные методы открывают возможность изменять не только скользящие свойства льда, но и продолжительность оказываемого воздействия.
Актуальность названных проблем и возможности молекулярного «конструирования» ледовых структур с задаваемыми свойствами позволили сформулировать основную цель настоящей работы:
Разработка и исследование методов воздействия на физико-механические свойства льда и создание на их основе технологий структурирования устойчивых к разрушающим нагрузкам ледовых покрытий с высокими скоростными свойствами для олимпийских видов спорта.
В соответствии с поставленной целью в работе рассмотрены и решены следующие задачи:
1. Проведены обобщение и систематизация методов воздействия на макропараметры низкотемпературной ледовой поверхности.
2. Проведён анализ существующих теорий скольжения по льду и разработан новый молекулярный метод направленного воздействия на кристалличеи скую структуру льда для снижения сопротивления скольжению конька и. изменения упруго-пластических и прочностных свойств льда.
3. Разработано и создано специализированное оборудование для имитации скольжения конькобежца и исследования физико-механических свойств льда.
4. Сформированы критерии выбора и целевого синтезирования^ соединений для формирования льда с задаваемыми физико-механическими свойствами.
5. Выполнено экспериментальное исследование модифицированного слоя льда с помощью растрового криоэлектронного микроскопа.
6. Исследовано влияние параметров работы системы хладоснабжения на характеристики формируемого ледового массива.
7. Разработаны новые неразрушающие акустические и оптические методы исследования твёрдости ледовой поверхности.
8. Созданы и внедрены технологии структурирования и поддержания свойств ледовых покрытий для различных видов спорта.
Решение перечисленных задач позволило получить следующие научные результаты:
1. Предложены и обоснованы физические модели ледовых покрытий для конькобежного спорта, фигурного катания, хоккея, шорт-трека и кёрлинга.
2. Разработан и реализован новый метод формирования искусственной регулярной структуры поверхностного слоя льда, создаваемой равномерно распределёнными макромолекулами, содержащими «связанную» воду в виде гид-ратных оболочек.
3. Экспериментально подтверждена возможность существенного увеличения скользящих свойств льда на 40 — 55% в результате молекулярной перестройки кристаллической решётки льда с помощью предложенной методики введения микродоз полимерных соединений.
4. Впервые осуществлена систематизация групп органических соединений, используемых в качестве модификаторов, с точки зрения функционального назначения при воздействии на свойства льда.
5. Проведён анализ строения макромолекул и сформированы критерии их отбора для достижения наибольшей совместимости с собственными, присущими воде, структурами.
6. Проведены экспериментальные исследования влияния концентрации вводимых веществ' и* скорости кристаллизации на макропараметры ледового покрытия.
7. Впервые экспериментально получена зависимость изменения сопротивления скольжению конька от времени после заливки (кривая скольжения) и изучены физические методы смещения во времени максимума скользящих свойств.
8. Разработаны оригинальные, защищенные Патентами РФ (№ 2 274 810, № 2 293 934, № 2 310 142, № 2 335 107, № 2 364 807, № 2 364 804, № 2 364 806, № 2 293 933, № 2 386 088, № 2 386 089), технологии послойного намораживания ледовых массивов с задаваемым комплексом физико-механических свойств для различных видов спорта.
9. Впервые в мировой практике выявлены причины искажения ледовой поверхности при введении полимерных соединений. Разработана и защищена Патентом РФ № 2 364 805 низкотемпературная ступенчатая вакуумная технология очистки вводимых соединений без распада макромолекул, используемых в качестве основных модификаторов свойств льда.
10. Предложена и апробирована расчётная модель определения концентрации отдельных компонентов в поверхностном слое льда.
11. Обнаружена корреляция между параметрами создаваемой структуры, определяемой размером, строением и концентрацией вводимых молекул, и физико-механическими свойствами льда.
12. Разработан акустический метод определения твёрдости ледового массива и способ обработки полученных данных.
Практическая ценность работы раскрывается следующими положениями:
1. Разработаны и внедрены на ведущих ледовых аренах технологии послойного формирования ледового массива для конькобежного спорта, фигурного катания, хоккея, шорт-трека, кёрлинга.
2. Практически реализован новый молекулярный метод структурного преобразования ледового покрытия, позволяющий уменьшать до 40−55% сопротивление скольжению конька и обновлять мировые рекорды в условиях равнинных катков.
3. На основании полученных результатов реализована модель комбинированного ледового покрытия для конькобежцев с различными свойствами льда на прямолинейных участках дистанции и виражах.
4. Создано мобильное оборудование для определения скользящих свойств льда и моделирования реальных разрушающих нагрузок. Разработаны расчетные методики сопоставления оптических и прочностных свойств льда, реализованные в виде программных продуктов.
5. Разработана и утверждена Международным Союзом конькобежцев (1811) методика контроля равенства соревновательных условий для всех групп спортсменов.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Новый метод направленного молекулярного воздействия на физико-механические свойства льда путём создания модифицированной кристаллической структуры с характерным размером между узлами и «связанной» водой в межзёренном пространстве.
2. Способ формирования модифицированного льда путём введения мик-родоз полимерных присадок, образующих при кристаллизации ледовые структуры в поверхностном слое, определяемые размером, концентрацией и строением вводимых макромолекул.
3. Технологии структурирования ледовых покрытий, экспериментально подтверждённые существенным (до 40 — 55%) увеличением скользящих свойств льда в результате комбинированного воздействия: молекулярной перестройки кристаллической решётки и термомеханических методов обработки ледового массива.
4. Основные критерии и принципы отбора и синтезирования органических соединений, предназначенных для изменения макропараметров ледовых поверхностей: сопротивления скольжению, твёрдости, упруго-пластических свойств, прозрачности, гладкости.
5. Выбор кремнийорганических и фторполимерных соединений в качестве наиболее эффективных, многофункциональных и стабильных модификаторов свойств ледовой поверхности.
6. Алгоритмы формирования различных зон ледового массива, отвечающие особенностям различных видов спорта и обеспечивающие минимальные разрушения поверхностного слоя и сохранение его оптических свойств.
7. Комплекс оборудования для имитации скольжения конькобежца и определения силы сопротивления движению.
8. Технология низкотемпературной вакуумной ступенчатой обработки присадок, предотвращающая искажения плоскостности ледовой поверхности.
9. Расчётная модель определения концентрации отдельных компонентов в поверхностном слое льда при изменении состава, концентрации вносимых ингредиентов, глубин срезаемого и расплавляемого слоёв льда.
10. Акустический метод определения твёрдости ледовой поверхности и программный продукт для обработки полученных данных.
Результаты настоящей работы к настоящему времени получили широкое внедрение при подготовке и проведении соревнований международного уровня и на объектах массового и детского спорта:
1. На основе проведённых в работе исследований Конгресс Международного союза конькобежцев (КЦ) принял меморандум об обязательном контроле режимных и теплофизических параметров заливки льда, введённый в действие на зимней Олимпиаде в Турине в 2006 г.
2. Физическая модель конькобежного льда впервые была реализована при проведении Чемпионата Европы (декабрь 2004 г.) и Чемпионата мира по классическому многоборью (февраль 2005 г.) в ККЦ «Крылатское». Участниками было установлено два мировых рекорда в командных гонках, и 74% спортсменов улучшили свои личные результаты.
3. Технология структурирования многослойного ледового покрытия для хоккея с шайбой успешно используется Континентальной и Молодёжной хоккейной лигой: «Сибирь» Новосибирск, «Торпедо» Нижний Новгород, ОХК «Динамо» Москва, «Нефтехимик» Нижнекамск, Спортивный комплекс в г. Дмитровприменяется на ледовых аренах «KaTOK.RU», «Прометей» (ОАО Газпром), «Умка» (Москва) и других.
4. Модель универсальной подосновы с нанесением на неё индивидуального ледового покрытия успешно реализована в ДС «Мегаспорт» (г. Москва) при проведении Кубков мира «Гран-При» по фигурному катанию, Кубков 1-го канала по хоккею, чемпионатов по шорт-треку и.т.д.
5. Комбинированное ледовое покрытие для конькобежного спорта апробировано на КЦ «Коломна». При проведении Кубка мира по спринту в 2009 г. было превышено мировое достижение, установленное на высокогорном катке в Солт-Лейк-Сити. По данным 1811 96,8% спортсменов улучшили свои результаты, показанные на предыдущем этапе Кубка мира.
6. В «Ледовом дворце «Уральская молния» (Челябинск) впервые был реализован и ежедневно используется метод восстановления поверхностного слоя льда для конькобежцев после сеансов массового катания.
7. Предложенные Технологии формирования ледовых покрытий для различных видов спорта использованы при проектировании ледовых объектов Зимней Олимпиады «Сочи — 2014» [34].
Апробация работы.
Результаты данной работы докладывались и обсуждались на XVII и XXII Конгрессах Международного института холода ПК (Вена, Австрия, 1987 г.- Пекин, Китай, 2007 г.) — Международной конференции РАН «Приоритетные направления в изучении криосферы земли» (Пущино, 2005 г.) — Конгрессе Международного союза конькобежцев (КЦ) (Будапешт, 2006 г.) — Международной конференции «Инновационные технологии в строительстве олимпийских объектов» (Москва, 2009 г.) — V Международной научно-технической Конференции «Вакуумная техника, материалы и технология» (Москва, 2010 г.);
Конференции Международного института холода ПЯ (Братислава, 2010 г.) — Международных научно-практических конференциях «Спорт-2007» и «Спорт-2008» (Москва) — Конференции Континентальной хоккейной лиги «Применение современных технологий на спортсооружениях, предназначенных для’игры в хоккей» (Москва, 2010 г.) — Международной конференции по холодильной технике «Холод Экспо» (Москва, 2008 г.) — Первом международном конгрессе «Дни ледовых арен» в рамках Форума «Россия — спортивная держава» (Москва 2010 г.) — в МГТУ им. Н. Э. Баумана на кафедре Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения.
Объём и структура работы:
Диссертация состоит из введения, шести глав, списка использованной литературы из 85 наименований и содержит 239 стр. основного текста, в том числе 98 рис., 6 таблиц и 9 приложений.
230 ВЫВОДЫ.
1. Выдвинуты и апробированы новые научные идеи, реализованные при отборе и синтезировании полимерных соединений различного функционального назначения для направленной модификации свойств льда: сопротивления скольжению, прочности, твёрдости, упруго-пластических и оптических свойств.
2. Впервые предложен и реализован новый молекулярный метод структурирования ледовых покрытий, позволяющий на 40 — 55% снижать силу сопротивления скольжению конька и создавать уникальные условия для обновления скоростных достижений в конькобежном спорте.
3. Предложены и отработаны способы реализации предложенного метода, основанные на использовании высокомолекулярных соединений и создании регулярной кристаллической структуры льда со связанной водой в межзёренном пространстве.
4. Впервые проведена систематизация методов воздействия на физико-механические свойства льда и разработаны Технологии структурирования и оперативного управления свойствами льда для различных ледовых видов спорта, защищённые 10-ю Патентами РФ.
5. Разработана расчётная модель управления параметрами системы хладоснабжения при структурировании ледовых массивов с задаваемыми свойствами для различных видов спорта.
6. Предложена и успешно реализована физическая модель комбинированного ледового покрытия для конькобежного спорта с различной структурой прямолинейных участков и виражей, позволившая установить новые скоростные достижения в индивидуальных и групповых соревнованиях.
7. Поставлена и решена задача разработки технологии обработки и стабильного хранения полимерных присадок, устраняющая возможность появления дефектов поверхности льда при их введении во всём рекомендуемом диапазоне концентраций, получен Патент РФ.
8. Впервые получены изображения и выявлена взаимосвязь параметров искусственно созданной регулярной кристаллической структуры и макрохарактеристик полученного ледового покрытия.
9. Исследовано влияние концентрации вводимых модификаторов на скользящие свойства льда, предложен и отработан алгоритм поддержания и изменения структуры поверхностного слоя льда для различных видов спорта.
10. Создано специализированное оборудование для имитации скольжения спортсмена и исследования физико-механических свойств льда.
11. Применение разработанной Технологии структурирования льда позволяет за счёт увеличения прочностных свойств до 15 — 20% сокращать энергозатраты при эксплуатации ледовых покрытий спортивного назначения.
