Создание новых ледовых покрытий спортивного назначения методом молекулярного воздействия и исследование их свойств Гончарова, Галина Юрьевна

Введение к работе

Актуальность проблемы.

В современном мире спорту, как элементу государственного престижа и политики здоровья нации, уделяется все больше внимания. 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 рекордов.

К настоящему моменту сложилась ситуация, когда возможности человеческого организма для дальнейшего улучшения абсолютных достижений в значительной мере уже исчерпаны. Поэтому разработка научных основ направленного воздействия на физико-механические свойства льда становится наиболее эффективным и востребованным направлением спортивной индустрии. В Нидерландах, Японии, Канаде, США, Германии, Финляндии, Норвегии 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 в настоящее время ни одна из зарубежных научных школ не обеспечила соревнования международного уровня стабильными и воспроизводимыми методиками улучшения скользящих свойств льда.

В России работы в этом направлении были начаты в 70-х - 80-х годах в Институте механики МГУ научной группой С.С. Григоряна, но в силу различных причин были приостановлены. Исследования автора в области создания новых методов направленного воздействия на свойства льда, основанных на модификации ледовых структур, были начаты в конце 90-х годов и обобщают более чем 10-летний теоретический и экспериментальный материал.

В преддверии зимней Олимпиады «Сочи - 2014» разработка научных основ и отечественных практических технологий структурирования ледовых покрытий, открывающих новые возможности для превышения мировых рекордов, имеет особую значимость. Актуальность приобретают также вопросы контроля равенства условий для всех спортсменов, так как современные молекулярные методы открывают возможность создания особых преференций для отдельных участников.

Цель 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 кристаллическую 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 вы1бора 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 хладоснабже- ния 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.

Научная новизна работы.

8. 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 гидратных 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 (№2274810, №2293934, №2310142, №2335107, №2364807, №2364804, №2364806, №2293933, №2386088, №2386089), технологии послойного намораживания ледовых массивов с задаваемым комплексом физико-механических свойств д ля различных видов спорта.

   9. Впервые в мировой практике выявлены причины искажения ледовой поверхности при введении полимерных соединений. Разработана и

   защищена Патентом РФ №2364805 низкотемпературная ступенчатая вакуумная технология очистки вводимых соединений без распада макромолекул, используемых в качестве основных модификаторов свойств льда.

   8. 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 и реализация работы.

      8. 12. 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 (ISU) методика контроля равенства соревновательных условий для всех групп спортсменов.

             На защиту выносятся следующие положения.

             8. 12. 5. 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 микродоз 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.

                       Апробация работы.

                       Результаты данной работы докладывались и обсуждались на XVII и XXII Конгрессах Международного института холода IIR (Вена, Австрия, 1987г.; Пекин, Китай, 2007 г.); Международной конференции РАН «Приоритетные направления в изучении криосферы земли» (Пущино, 2005 г.); Конгрессе Международного союза конькобежцев (ISU) (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 IIR (Братислава, 2010 г.); Международных научно-практических конференциях «Спорт-2007» и «Спорт-2008» (Москва); Конференции Континентальной хоккейной лиги «Применение современных технологий на спортсооруже- ниях, 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.

                       Внедрение.

                       1. На основе проведённых в работе исследований Конгресс Международного союза конькобежцев (ISU) принял меморандум об обязательном контроле режимных и теплофизических параметров заливки льда, введённый в действие на зимней Олимпиаде в Турине в 2006 г.

                       8. 12. 5. 10. 1. 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.

                                     2. 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. Дмитров; применяется на ледовых аренах «Катка.Яи», «Прометей» (ОАО Газпром), «Умка» (Москва) и других.

                                     3. 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, этапа Кубка мира по шорт-треку и.т.д.

                                     4. 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 ISU 96,8 % спортсменов улучшили свои результаты, показанные на предыдущем этапе Кубка мира.

                                     5. В «Ледовом дворце «Уральская молния» (Челябинск) впервые был реализован и ежедневно используется метод восстановления поверхностного слоя льда для конькобежцев после сеансов массового катания.

                                     6. Предложенные Технологии формирования ледовых покрытий для различных видов спорта использованы при проектировании ледовых объектов Зимней Олимпиады «Сочи - 2014».

                                     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.

                                     Похожие диссертации на Создание новых ледовых покрытий спортивного назначения методом молекулярного воздействия и исследование их свойств

                                     Исследование теплофизических свойств ниобия, применяемого в СВЧ резонаторах ускорителей элементарных частиц, при температурах 1,6-10 ККошелев, Сергей Сергеевич

                                     

                                     Теоретические основы создания и оптимизации свойств хладоносителей для систем косвенного охлажденияКириллов Вадим Васильевич

                                     

                                     Разработка и реализация рациональных методов создания эффективных холодильных машин промышленного назначения Калнинь Игорь Мартынович

                                     

                                     Разработка методов придания огнезащитных свойств и исследования термического воздействия на структуру и свойства материалов и пакетов одеждыЗагоруйко, Марина Владимировна

                                     

                                     Развитие теории и методов исследования деформационных свойств материалов для одежды при воздействии технологических и эксплуатационных факторовЛисиенкова, Любовь Николаевна

                                     Исследование особенностей воздействия ионного облучения на свойства полимерных масок в процессах микроструктурированияКоваль, Юрий Иванович

                                     

                                     Комплексное исследование вибрационного воздействия на кристаллизацию и свойства отливок из алюминиевых сплавовМорин Сергей Викторович

                                     

                                     Исследование влияния локального воздействия магнитного поля на структуру и свойства инструмента из быстрорежущих сталей Бойко Владимир Михайлович

                                     Создание и исследование свойств фотополимеризующегося лака на основе олигоуретанакрилата для облагораживания полиграфической продукцииМиклушка, Игорь Зиновьевич

                                     

                                     Создание и исследование свойств утеплителей на основе местного сырьяСолдатов Сергей Николаевич