奥运会的科学知识有哪些(点赞！北京2022冬奥会十大先进科技)

第24届冬奥会即将于2022年02月04日至02月20日在中国北京和张家口以及延庆举行。资料显示，北京冬季奥运会于2022年2月4日星期五开幕，2月20日星期日闭幕。中国在冬奥会上有哪些先进的科技呢？下面分别介绍如下：

一、人造雪及冰（雪炮）

所谓雪炮，是一种可以迅速把大量液态水转化成为高压雾化冰晶的电气装置，主要用于人工造雪、布置人工滑雪场地和消防等领域。雪炮的工作原理：是通过消耗能量和水，生成一种“人造雪”。雪炮的核心构造有两个：一是配有越野式车轮的机车，可以保证雪炮轻松穿越阶梯和沟坎，从而行进到一些地形复杂的区域进行工作；二是喷雪炮筒，它连接着将液态水雾化的电气装置，由此喷出高压冰晶流，从而实现人工造雪。

雪炮是目前冬奥会最重要的造雪设备之一，比如在索契冬奥会上，俄罗斯方面动用了数百台雪炮，耗费了超过7.6亿升水，对1000个足球场大小的区域进行“冰雪覆盖”。再比如在温哥华（2010年）和平昌（2018年）冬奥会上，赛事组委会均大量采用了人造雪。尤其是2018年韩国平昌中冬奥会，其人造雪用量达到了总使用雪量的九成。值得一提的是，在高水准比赛期间，根据经验，雪场的雪量必须达到10万立方米，由此比赛用雪很难全部通过天然降雪达到要求。

人造雪并非是“假雪”，由于水分子能够以固态、液态和气态形式存在，所以在不同的温度条件下能够实现不断变化，实际上造雪就是把水转变为固态形式。国际上，造雪师被誉为“冰雪魔术师”。值得一提的是，人工造雪对温度要求是在0℃以下，湿度在50%以下。然人工造雪通常严格控制水和空气的压缩混合比，最终通过造雪机雾化喷出，在空气中凝结成雪。

北京冬奥会所使用的人工造雪，有9种型号，型号越小越接近粉雪，型号越大雪往往越湿。由此在白天温度较高时，通常使用含水量少的小号雪。一旦夜间达到零下20℃时，则使用7号雪或8号雪，如此这样的雪质量更佳。值得一提的是，最新造出来的雪是仍然无法达到比赛标准，必须通过六吨重的压雪机反复碾压紧实后，才能够达到比赛要求。

所谓人造冰，通常是指人们人造冰按其物质组成可分为水冰，防腐冰，溶液冰，干冰等几种。水冰又称普通水，简称冰，是用普通的水制成的冰。根据冰的透明度，冰又可分为白冰和透明冰。用未经处理的普通水制成的冰即为白冰，其颜色发白，透明度差。将原料水进行沉淀和软化处理，并在冻结过程中将从水中析出的气泡除掉，就是透明冰。水冰还可以按用途不同制成各种形状，如雪花冰，粒冰，片冰，板冰。

人造冰就是科学地运用制冷设备来吸收水或水溶液中的热量并使之冻结成固体的一个过程。水在冻结的过程中，分子间存在两种相反的作用力:一种是分子聚合力，促使结晶的形成;另一种是分子热运动力，阻碍结晶的形成。水要冻结成冰，必须克服后一种作用力。因此，在水的冻结过程中，要设法将水的热量移走，使其温度降低而减弱分子热运动力。当水与低于0℃的冷媒体(如空气，管道，冰桶等)接触时，冷媒体将处于接触界面的一层水的热量取走，使该层水首先冻结。首先冻结的薄冰层又成为热的传导体，将未冻结的水的热量不断地传给冷媒体。这样使水一层一层地冻结，冻结的冰量越来越大，冰层越来越厚，直到水全部冻结或某一冰水界面处的温度维持在0℃时冻结过程终止。

值得一提的是，北京冬奥会采取的是二氧化碳制冷。尽管二氧化碳在制冷领域并非“最新品种”，但是在100年前，蒸汽压缩式制冷技术诞生时，二氧化碳就立即被作为制冷剂使用。由于人工合成制冷剂技术的发展，二氧化碳开始渐被人工合成制冷剂“氟利昂”所取代。又由于氟利昂严重破坏臭氧层，因此二氧化碳制冷剂才重新回归。

冬奥会在北京赛区的15块冰面中拥有7块采用二氧化碳跨临界制冷制冰技术，北京2022年冬奥会由此成为历史上首次大规模使用二氧化碳制冷剂的奥运会。

所谓二氧化碳制冷，就是把二氧化碳这种温室气体作为制冷剂，其次通过空气压缩去“凝水成冰”。同时多台二氧化碳压缩机运作，冰板层里制冷管道内低温二氧化碳与冰板混凝土进行换热，冰板混凝土温度逐步降到零下10℃以下，制冷时不停地在冰板上洒水作业，由此冻成每层几毫米的冰面，经过反复的工序，最终制造出厚度几十毫米的冰面才。值得一提的是，冰里并非全是水，其中掺杂着一些包括液氮在内的化学剂，这样能够保证冰面更滑，同时能保证冰面在0℃以上不会立即融化。

二、六自由度电动模拟体育训练系统

北京冬奥会采用了六自由度电动模拟体育训练系统。据仪器研发人员介绍，这个仪器可以搭载钢架雪车、雪橇、越野滑雪、冬季两项等多个冬奥会冰雪项目。六自由度电动模拟体育训练系统由中国完全自主研发、它能够将六自由度运动系统技术、VR虚拟现实技术、数字仿真技术相结合，为冬奥会比赛运动员提供十分逼真的专项运动的训练及比赛环境。

据国家体育总局冬季运动管理中心介绍，中国冰雪运动员已全力备战冲刺状态，而冰雪项目科技助力冬奥备战周期内获得好的的训练效果。中国冰雪充分依托前沿科技，助力保障冰雪项目国家队科学化训练，全面提升运动员表现水平。

三、无人机助力加速系统

中国科技研发团队通过对体育项目的研究，针对越野滑雪项目无法在地面牵引获得加速的高速训练，研发出中国首款拖拽式六旋翼无人机。此“无人机助力加速系统”，可以有效帮助越野滑雪运动员进行弯道高速训练等。作为无人机，很多雪上项目是无法与之匹配的，比如空中技巧项目由于存在翻腾动作，假如使用无人机拖拽，将会遇到人与绳缠在一起的现象，因此无人机适合越野滑雪。因为越野滑雪的地形相对复杂，在高速训练之时，运动员没法练习姿态。重要的是无人机不受地形的束缚，可以拖拽运动员在高速运转下完成训练。

四、数据库

本次冬奥会“数据库”项目被认为是“鸡蛋里挑骨头”，能够做到精益求精。数据库，实际上就是“管理数据的仓库”。比如之前查阅一个运动员的资料，需要线下excel文件处理，然后打印出来，较为繁琐。而现在采用的数据库，包括了运动员训练、比赛、康复等全过程的数据库体系，实现了智能化录入、采集、精准分析、精准预测等功能，它不仅可以快速一览运动员各方面信息，还可以同时对比参考不同运动员的数据。数据库最重要的是用户的使用感和体验感。　　　　　

五、“合肥风洞”及风洞实验室

风洞，是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。世界上公认的第一个风洞是英国人韦纳姆(E.Mariotte)于1869~1871年建成，并测量了物体与空气相对运动时受到的阻力。它是一个两端开口的木箱，截面45.7厘米×45.7厘米，长3.05米。美国的O.莱特和W.莱特兄弟在他们成功地进行世界上第一次动力飞行之前，于1900年建造了一个风洞，截面40.6厘米×40.6厘米，长1.8米，气流速度40~56.3千米/小时。1901年莱特兄弟又建造了风速12米/秒的风洞，为他们的飞机进行有关的实验测试。

风洞的大量出现是在20世纪中叶。到目前为止，中国已经拥有低速、高速、超高速以及激波、电弧等风洞。风洞是空气动力学研究和试验中最广泛使用的工具。它的产生和发展是同航空航天科学的发展紧密相关的。风洞广泛用于研究空气动力学的基本规律，以验证和发展有关理论，并直接为各种飞行器的研制服务，通过风洞实验来确定飞行器的气动布局和评估其气动性能。现代飞行器的设计对风洞的依赖性很大。例如50年代美国B-52型轰炸机的研制，曾进行了约10000小时的风洞实验，而80年代第一架航天飞机的研制则进行了约100000小时的风洞实验。

科技在竞技体育中的作用越来越突出。比如多学科、跨学科的力量统筹推进技术研发和技术转化，为中国体育健儿提升竞技水平助力，为中国竞技体育实现更大突破提供有力支撑。

可以模拟比赛真实场景的国际一流公共安全实验室——清华大学合肥公共安全研究院(“合肥风洞”）及在北京二七厂冰雪项目训练基地，建有国内首个体育专业风洞实验室。自2020年10月建成以来，这一处于国际领先水平的风洞实验室已为超过2000名运动员提供科技支持。

众所周知，风洞是空气动力学研究和试验中最广泛使用的工具。之前风洞主要用于模拟飞行器或物体周围的空气流动，以验证气流阻力对飞行器或物体的影响。当今全球不少国家已将风洞应用于体育训练中，模拟真实的气流、水流条件，帮助运动员提高成绩。利用风洞技术，除了可以帮助运动员科学调整运动时的姿态之外，还可以对运动服装、器材进行风阻系数的测试，为高性能运动装备的设计开发提供数据支撑。

值得一提的是，冰雪项目有很强的季节性，而模拟训练是提高效率的一种手段。为此，研究团队设计了利用滑板、跑台、六自由度系统的冬季项目风洞模拟训练方法，模拟短道速滑、雪车雪橇等运动项目高速运动的场景，协助运动员开展模拟训练。比如位于河北涞源的国家跳台滑雪训练科研基地，世界体量最大、训练功能最完备的跳台滑雪风洞实验室受到运动员的欢迎。在实验室中，跳台滑雪运动员可以进行助滑、起跳、飞跃及吊飞等模拟训练。中国跳台滑雪运动员宋祺武曾经评价说，风洞训练的容错率高，如果跳跃失误了，可以更快地去改善动作，学会一些更好的飞行动作。

在北京冬奥会备战中，风洞技术围绕人、机、环三个方面开展科技服务。“人”是以风洞为代表的模拟训练；“机”是通过风洞技术，对运动员的服装、头盔等装备进行风阻性能测试，协助装备研发；“环”则是指赛场监测、环境预测在内的赛场体系和包括风洞训练等在内的模拟赛场体系。

回顾东京奥运会，风洞训练也为中国运动员取得好成绩贡献了力量。比如在四人赛艇项目中，航天十一院低速风洞实验室通过模拟运动员抓水、驱动、出水、回桨等不同动作姿态的气动力大小，并对4名运动员不同编队组合对气动阻力的影响进行试验，成功开发出基于气浮装置的三维力测量平台，为运动员提供了科学参考。

六、高科技石墨烯材料

中国在本次冬奥会的礼仪服采用了高科技石墨烯材料，能够帮助工作人员抵御寒冷。据了解，北京冬奥会运动场馆的温度最低可达零下30多摄氏度。为了让颁奖礼仪服装达到美观又保暖，在衣服里特意添加了一片片黑色的材料，这是中国航发为本届冬奥会研发的石墨烯发热材料，可以实现快速升温。根据中国航发石墨烯材料冬奥专项项目负责人介绍：礼服里有一套内胆，这奥内胆用了全套的石墨烯新装备。因此可以看到礼仪姑娘外面穿的尽管很薄，但里面的石墨烯内胆领域提供满意的温度保障。

据悉，北京2022年冬奥会和冬残奥会颁奖礼仪服装发布一共有三套方案，分别为：“瑞雪祥云”、“鸿运山水”和“唐花飞雪”，设计灵感来自“瑞雪”、“祥云”、名画《千里江山图》、传统唐代织物等中国传统文化元素。冬奥会比赛时这三套服装将分别出现在雪上场馆、冰上场馆和颁奖广场的颁奖仪式中。

七、360°VR影像

所谓VR，就是虚拟现实技术(英文缩写为VR)，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业对VR技术的需求日益旺盛。VR技术也取得了巨大进步，并逐步成为一个新的科学技术领域。

北京冬奥会期间，观众可以360°自由选择视角观看比赛。要知道，之前看直播只能接受转播方特定视角的画面。为什么比赛画面能够以任意视角观看？事实上，VR技术以4K多轨广播级影像同步采集编码和画面合成技术为核心，可围绕不同中心点进行拍摄，呈现出现场人物或物体360度环绕视角的立体感效果，最终实现直播画面的“千人千面”互动体验，能够充分让观众真正体验“私人订制”的感觉。据悉，VR技术将在冬奥会的云顶滑雪公园为空中技巧滑雪和单板滑雪U型池两项雪上项目比赛中应用。

八、奥运列车

北京冬奥会专用车道2022年1月21日启用，而连接北京与崇礼赛区的高铁冬奥列车也在同一天开启赛时运输服务。如果乘北京冬奥列车，从北京清河站至延庆、太子城和崇礼站分别只需要26分钟、50分钟、65分钟即可抵达。值得一提的是，太子城站是世界上第一个建在奥运村内的车站。特别是连通北京、延庆、张家口赛区的京张高铁完工，北京至张家口最快车次运行时间将从3小时12分缩短至1小时之内。

值得一提的是，奥运列车自助购票、“刷脸”进站、行程规划、站内导航、WIFI全覆盖等一系列智能服务，京张高铁将为国内外乘客提供购票、进站、乘车的全链条服务，奥运列车用高速和便捷消除空间距离。另外京张高铁还将针对冬奥赛事的特殊需求提供“定制化”服务。比如兴奋剂检测区、冰雪运动器材存放区使得京张高铁成为真正的“奥运专列”。值得一提的是，在媒体专用包厢，媒体记者可以通过智能显示屏实时观看赛事直播，并通过WIFI信号随时发送相关稿件。

北京冬奥列车编组8辆，定员564人。设商务、一等、二等、媒体车厢，特别是5号车厢为多功能车厢，设置媒体工作区，可实现5G高清赛事直播。1、4、8号车厢其中一端设置滑雪器材存放柜，4号车厢还设置了轮椅存放区、无障碍卫生间及站台补偿器。冬奥列车设置闭环和非闭环车厢，中间由隔离车厢进行分隔。其中智能复兴号的隔离车厢为6车，1-5号车厢为闭环车厢；普通复兴号列车的隔离车厢为5车，1-4号车厢为闭环车厢。闭环车厢内的客运、检修、列车服务等均由闭环内人员进行，闭环和非闭环人员不会交集。

九、智能公交系统

在冬奥会期间，中国先进的公交系统构成各赛区周边的“微循环”。中国开发出交通智能协同保障系统，并且统筹安排延庆、张家口赛区及周边交通资源，确保人员出行便利。

比如清洁环保的新能源公交车将成为公交系统的主力。中国科研机构研发的锂离子动力电池，能够在零下30℃的低温环境下，仅需几十秒就能使温度上升到0℃以上，可以有效解决电动汽车在冬季续驶里程急剧下降、无法启动等难题，为电动公交车提供强劲动能。值得一提的是，中国自主研发的智能无人公交车也将服务2022年北京冬奥会。比如只要打开手机，通过系统下达指令，智能公交车就能感知到用车需求，在乘客所在站点停车带客。

十、绿色电力

冬奥会最重要最基础的工作就是电力保障。尤其在北京冬奥会期间，冬奥会三大赛区的场馆将全部使用绿电，无疑这意味着奥运历史上将首次实现全部场馆100%绿色电能供应。众所周知，张北风电及太阳能发电资源非常丰富。且距离北京负荷中心仅200千米-350千米，开发条件十分优越，这里的风能资源可开发量达4000万千瓦以上，太阳能发电可开发量达3000万千瓦以上。将张北新能源基地、丰宁储能电源与北京负荷中心可靠互联，全面满足北京冬奥会场馆用电需求，助力北京冬奥会场馆实现奥运历史上首次100%绿色电能供电。

值得一提的是，据专家预测，到2022年冬残奥会结束时，冬奥会场馆预计共消耗绿电约4亿度，预计可减少标煤燃烧12.8万吨，减排二氧化碳32万吨。