המדע החלקלק של עשיית שלג וקרח אולימפיים

איש לא חשב שלבריאן שימר יש סיכוי. בגיל חודשיים מביישן בן 40 הגיע הרוכל האמריקאי לאולימפיאדת סולט לייק סיטי בשנת 2002 עם ארבעה משחקי חורף תחת חגורתו, אך ללא מדליות אולימפיות. אז כשהקבוצה שלו גלשה במסלול המתפתל והרוויחה את הארד המיוחל הזה, כולם נדהמו - לא פחות מכולם של שימר. '' אני לא יודע מה הביא אותנו במורד הגבעה כל כך מהר, '' הוא אמר לניו יורק טיימס . '' החשמל באוויר, הקהל מנופף וצווח. ''

תוכן קשור

• מדוע קרח קרלינג שונה משל קרח אחר

בהחלט התמיכה של הקהל - יחד עם האימונים האינטנסיביים של הקבוצה והתפניות המדויקות של שימר - היו מכריעות. אבל גיבור אחד שלא הוחלף בספורט החורף שיחק גם הוא בכוכב בניצחון הקבוצה: הקרח.

בספורט שרק מאות מאיות שנייה מפרידות בין המנצחים והמפסידים, כל בליטה או חריץ מעוררי חיכוך חשובים. והקרח נשחק שעות נוספות, כך שמיימר ועמדת הפתיחה ה -17 של קבוצתו יכלו בקלות להוות חיסרון. עם זאת, המזחלת סיימה במקום החמישי וקבעה אותם לארד. "אתה לא יכול לעשות את זה אם הקרח לא יהיה עקבי", אומר טרייסי סייץ, מנהל המסלול של הקרח הקנדי המכונה "מרכז ההחלקה ויסלר", שמסמל את "מסלול הקרח המהיר ביותר בעולם". סייץ היה יודע: הוא היה גם אחד מ"המאסטרים של הקרח "שנקרא" סולט לייק סיטי ", והמומחים קיבלו את האתגר ליצור מסלולי קרח אידיאליים לספורטאים ברמה העולמית.

יש הרבה יותר להכנת קרח מאשר לפגוש את העין. ברמה המולקולרית, השלג והקרח של המגרשים האולימפיים הם בדיוק אותם דברים שגורמים לאנשי שלג, חוסמים את הפתח שלך ושולחים עוברי אורח בלתי מעורערים המזהרים לאורך שבילי הגישה. כל המים הקפואים מורכבים ממולקולות המסודרות במבנה משושה הדומה לחלת דבש. אבל הקרח המציפה את מסלולי ההזזה הסולידיים עבור מזחלות, סלעים ושלד, או השלג המוצק והשטוח של מסלול סקי מעוצבים ומותנים במדויק במהלך החודשים שקדמו למשחקים, ומיטבו את תכונותיהם של צורות מים כפוריות אלה.

"זה לא סתם חתיך של קרח כמו שבדרך כלל היית חושב עליו, כמו קוביות קרח שיושבות במקפיא שלך, " אומר קנת גולדן, מתמטיקאי מאוניברסיטת יוטה החוקר את מבני הקרח. "זה חומר הרבה יותר מרתק ומורכב ממה שאנשים בדרך כלל היו חושבים."

שימר (קדמי), מייק קוהן, דאג שארפ והבולם דן סטיל, נעצרים לאחר שסיימו את הריצה השלישית שלהם במסלול הפארק האולימפי ביוטה בפארק סיטי, יוטה, במהלך המשחקים האולימפיים בחורף 2002. (תמונות של צבא ארה"ב / פיקוח וויקימדיה)

קרח, קרח, אולי

השלב הראשון לבניית משטח קרח או מסלול הוא טיהור המים להסרת מוצקים מומסים כמו מלחים ומינרלים. זיהומים כאלו אינם משתלבים במבנה המשושה הרגיל של הקרח הנוצר ככל שהמים קופאים. אותו מאפיין ניתן לראות בקרח הים, מסביר גולדן, שמוציא את המלח של מי האוקיאנוס כשהוא קופא, ויוצר פלומה של נוזל מלוח נוסף מתחת לקרח. אך במשטח או במסלול, זיהומים נאספים בין גבישים או מועברים אל פני השטח ויוצרים חולשות קלות בקרח. כמו שאומר סייץ, "ככל שהמים טהורים יותר, לוח הקרח יהיה צפוף יותר", מה שמתרגם למשטח עקבי יותר.

איכותו וקרותו של קרח כה חשובים עד שנוצרה עמדה מיוחדת - אדון הקרח - כדי להבטיח את קיומם. תשכחו מפסלים שעושים פסלי קרח מורכבים; אדוני הקרח מעצבים קרח לכמה מהמבנים המרשימים ביותר על פני כדור הארץ. לפחות שנה לפני שהמשחקים יופיעו , הם מרססים מאות שכבות דקיקות נייר של מים אולטרה-טבעיים אלה על מסלול בטון או משטח, שמצוננים על ידי מערכת קירור משובצת להקפאה מהירה. דרוש כחמישה ימים של עבודה בלתי פוסקת כדי להניח את המסלול הקפוא לריצה מרוב זנב, אומר סייץ.

תהליך זה מונע היווצרות שכבות כפור, אשר נוצרות כאשר אוויר לח קופא על פני השטח הקפוא. שכבות כפור יכולות ללכוד בועות אוויר בקרח, שיכולות לפלס את דרכן כנקודות קטנות. "אנחנו לא חושבים על זה [קרח] כנוזל, אבל הוא כל כך נוזלי, והוא זז כל הזמן", אומר סייץ. "שכבות האוויר בקרח תיצור חולשות שיכולות לפרוץ וליצור חוסר עקביות במשטח הקרח." עבור מזחלת קפיץ, סמל אחד זעיר יכול לגרום להקפיץ את המזחלת ולהנציח את הבעיה. "בליטה אחת יוצרת שתי בליטות יוצרת שלוש בליטות, ועוד ועוד ועוד", הוא אומר.

ענפי ספורט אחרים המבוססים על קרח כמו הוקי, החלקה על קרח וסלסל משתמשים בשכבות מדוקדקות באופן דומה. אבל עבור כל ענף ספורט הטמפרטורה והעובי האידיאלי של הקרח שונים. החלקה על הקרח, למשל, מגבירה את הקרח העבה והחם ביותר: המשטח בגודל שני אינץ 'בערך מוחזק סביב פרנהייט סוער 25 מעלות, המאפשר למחליקים לחבר את החלקה שלהם בקרח כפי שנדרש כדי לבצע את קפיצותיהם וספידיהם המתריסים בכוח המשיכה. .

חלק מהקסם הוא לא רק בהנדסה - זה באופי הקרח עצמו. בשוליה, מולקולות המים בקרח לא ננעלות בצורה חזקה יותר בתוך חלת הדבש כמו במרכזו, ויוצרות שכבה דמויית נוזלים המכונה קדם-נמס המשכה את פני השטח ונחשבת להעניק לקרח את איכותו החלקלקה הייחודית. הלחץ האינטנסיבי של להחליק או להב המופעל על רסיס קרח זעיר יכול לדכא מעט את נקודת ההיתוך שלו, מה שסביר להניח שתורם לאותה שכבת מים חלקלקה. נמסים קלים מחיכוך להב הזזה על פני השטח נחשב גם להוסיף נוזלים לתערובת.

כמה מאסטרי קרח מנסים אמצעים יצירתיים כדי להשיג את המשטח המושלם. בקרב חובבי הקרח, יש מיתוס רב שנים שמוזיקה יכולה לעזור להתגבש. לקראת אולימפיאדת סוצ'י 2014 ניגן אדון הקרח דימיטרי גריגורייב מוזיקה קלאסית - "ארבע העונות" של ויוואלי, ליתר דיוק - תוך שהוא מתווה את המסלול הקפוא. "היה לנו נגינה קלאסית כאן, כך שהקרח מתגבש בצורה קשה וקשה, לא מוסיקת רוק, לא שתיקה", אמר ל- NPR והוסיף: "אני רציני בזה, חפש את זה!" (NPR הרים את זה, ואין שום מדע בעל מוניטין שמגבה טענה זו.)

סייץ לא מתרשם מאמונות טפלות כאלה. "אם אנחנו הולכים לעשות משהו אנחנו בטח מפוצצים מוסיקת מטאל כבדה, " הוא אומר - עבור הצוות, לא את הקרח. זה מצליח לשמור על הצוות שלו "ער והולך קשה" בשעות העבודה המפרכות של הנחת המסלול, הוא אומר.

קרולינה קוסטנר מאיטליה לאחר שהופיעה בגזרת החלקות של הנשים על החלקה חופשית במהלך אולימפיאדת החורף 2014 בסוצ'י, רוסיה. (סוכנות Tribune Content LLC LLC / Alamy)

ככל ששלג יותר

כגליאולוגית תואר שלישי, שרה קונרד בילתה את חלקה הוגן בחשיבה על שלג. אבל הקשר שלה עם החומר הלבן הוא גם אישי יותר: היא התמודדה באירועי ביאתלון וסקי שטח באולימפיאדת החורף 2006 בטורינו, איטליה בגיל 38 - הנשים האמריקאית הראשונה שהעפילה בשני ענפי ספורט במשחקי החורף.

באופן מפתיע, התנאים האיטיים ביותר לעסקי ספורט מושלגים הם אלה שגולשי הפנאי מחפשים ביותר: אבקה שנפלה טרייה.

שלא כמו קרח, הנוצר ממים קפואים, שלג נוצר מהתגבשות לחות או אדי מים באטמוספרה כאשר הוא "קירור-על", או צונן ממש מתחת לנקודת הקפאה שלו. על מנת ליצור גביש בפועל, אדי המים חייבים להיתקל במשהו, כמו כתם אבק, כדי לעורר את התגבשותו. בדיוק מדוע חלקיקים אלה נחוצים וכיצד הם מסייעים בהיווצרות שלג עדיין מועמד לדיון, אך בלעדיהם צריך להיות קר להפליא - הרבה מתחת ל -20 מעלות פרנהייט - כדי שגבישי הקרח ייווצרו מעצמם.

ברגע שהוא מתחיל, הגביש מושך אליו אדי מים אחרים המצוננים על-גבי מים להיערם בתבניות מורכבות. ששת פתיתי השלג הנפוצים "כנפיים", כפי שקוראד מכנה אותם, מהדהדים את הסידור המשושה של מולקולות מים קפואות עצמן. אם כי מדהים, פתיתים מורכבים אלה אינם אופטימליים לספורט. הקצוות והזוויות שהופכים את פתיתי השלג לכל כך חזותיים מושכים משמעותם גם חספוס בגלישה ברכיבה על סקי, והאטה לאטית עבור האולימפיאדה. "זה משטח לא אחיד, אפילו ברמה המיקרוסקופית", אומר קונראד, שהוא כיום מנהל הפרויקט השותף באוניברסיטת ויומינג.

אך ברגע שהשלג נוגע בקרקע, צורת פתית השלג מתחילה להשתנות. מלבד השפעות הרוח וכוחות גופניים אחרים, פתית השלג עצמה מתחלפת אט אט עם הזמן, הופכת להיות קומפקטית ומעוגלת יותר. "אתה עובר מהגביש הנוצה והמסובך הזה למשהו שדומה יותר למסביב, " אומר קונראד. "זה הרבה יותר מהר, כי יש לו קצוות פחות מחוספסים."

ישנם בוני קורסים מומחים שאף מעדיפים שלג מלאכותי - שלדבריהם יש תחושה "שלג ישן" ללא מאמץ של הזדקנות - על פני הפתיתים הטבעיים. שלג זה נוצר על ידי ריסוס ערפל דק של מים ואוויר דחוס לאורך המסלול. התפשטות האוויר מצמררת את הלחות ושומרת על גובהה ומבטיחה זמן הקפאה נאות. הגבישים חסרים את התנאים והזמן הדרושים ליצירת פתיתים מורכבים עם שש כנפיים, אומר קונראד כך שהצורה המתקבלת היא צפויה, מה שמקל על העבודה איתה לצורך בניית הקורס. "אבל זה מוציא מזה קצת כיף", מוסיף קונראד.

עם זאת, עבור קורסים אלפיניים, עבודה רבה מבטיחה שהמסלול מהיר ועמיד. המהנדסים מרטיבים לרוב את פני השטח ואז יאפשרו לו להקפיא מחדש, ויוצרים מסלול מהיר וארוז בחוזקה. אבל אם השלג רטוב מדי, או שהאוויר חם מדי, המסלול ייפול במהירות ויתפרק. האנשים האחראים על מסלולי שלג מבלים חודשים ארוכים לריצות המובילות למשחקים - מעצבים ומעצבים כל העת מחדש כל פינה ומגרש כדי להשיג איזון מושלם בין מסלול מהיר ויציב לגיליון קרח.

כמובן, לפעמים אי אפשר לתקן את גחמות מזג האוויר. זה היה נושא במשחקי 2014 בסוצ'י, שם התנאים החמים בצורה יוצאת דופן הובילו למסלולי גבשושי ושלג גרגירי, או "ממותק". לגבי חצי הצינור, יותר ממחצית מהמתחרים נפלו במהלך הסיבובים במוקדמות. מדליסט אולימפי פעמיים חנה טטר כינה את הצינור "מסוכן" ו"חרא ".

לגבי סקי קרוס קאנטרי, אומר קונראד, "תנאים חמים יותר הם המקום בו השעווה והמבנה שלך הופכים לחשובים בצורה יוצאת דופן." שילובי שעווה שונים מוחלים על תחתית המגלשיים - לעתים קרובות באמצעות גיהוץ מילולי - כדי לעזור להם לגלוש בקלות מעל השלג. ואם אתה משתמש בשעווה הלא נכונה, קונרד מסביר, "אתה באמת יכול לפוצץ אותה." צוותים מוציאים סכומי כסף וזמן מופקעים על טכנאי השעווה שעוסקים בהחלטות אלה, הטכנאים יוצאים לקורסים בשנתיים שקדמו לאירוע בכדי ללמוד על מגוון התנאים שהם עשויים להיתקל בהם ומה עובד הכי טוב בכל אחד מהם.

...

ספורט החורף מסתמך על - ומתקיים בזכות - התכונות הייחודיות של מים קפואים. אחרי הכל, מציין גולדן, החלקה על הקרח החלה בגלל העובדה הפשוטה שקרח צף על בריכה נוזלית. במובן הרחב יותר, מגוון החיים הקיים בפולין הצפונית והדרומית נובע מהעובדה שהקרח יוצר מדף התומך בחיים מעל, ומגן על התחום הנוזלי שמתחתיו. כמו שמזהיב מתפלא: "הכל בגלל הדבר הקטן הזה: מכיוון שצורת המים המוצקה פחות צפופה מהצורה הנוזלית."

עם זאת, ככל שהאקלים מתחמם וירידות השלג הופכות נדירות יותר ויותר באזורים מסוימים, ספורט החורף בחוץ מאיים. בסוצ'י, המארגנים יצרו מספיק שלג בכדי לכסות על 1, 000 מגרשי כדורגל, וכיסו את הערמות הנפוחות בשמיכות מזרן מבודדות כמו יוגה. יחד עם הטכנולוגיה ליצירת שלג מלאכותי ושמירה על שלג משנה לשנה, תיקונים מסוג זה עשויים להיות חשובים יותר ויותר לאולימפיאדה בשנים הבאות.

למרבה המזל, זה לא הדאגה ב- PyeongChang, שם בדרך כלל צוננת רוח בפברואר מרחפת במספרים בודדים. למעשה, הטמפרטורות עשויות אפילו לרדת מתחת לתנאים האופטימליים עבור ענפי ספורט מסוימים: עבור מזחלות נדנדה, טוען סייץ, בטמפרטורות הנמצאות מתחת ל 23 מעלות פרנהייט, הקרח פריך במיוחד. לגבי סקי קרוס-קאנטרי, אומר קונראד, "הטמפרטורה המשמחת" היא סביב 25 מעלות פרנהייט; כל קר ושלג נעשה יבש ואיטי.

קונראד נוקט בכל התנאים. "מבחינת גולש, אין שלג 'הכי טוב', כל עוד הוא שם ושווה לכל המתחרים, אנחנו בדרך כלל די שמחים, " היא אומרת.

אך כל עוד ישנם משחקי חורף, לא יהיה מחסור בגורמים והתנאים ש- Ice Masters המוקפדים לוקחים בחשבון בעת ​​ביצוע המדיום שלהם. אחרי 45 דקות של קרח מדבר, ביקשתי מ- Seitz כל מחשבות על פרידה על מים קפואים. "כנראה יכולתי להמשיך ולהמשיך לנצח, " הוא אומר.