虽然精英体育已经提高了材料科学、残疾人运动员的发展可以改变一个人的一生。艾莎al - janabi报告

与2022年冬季奥运会开始2月4日在北京,中国,其次是冬季残奥会,3月4日的眼睛sport-obsessed世界将在运动员和他们的表演。但仔细观察会发现,你会看到一些高性能的材料帮助运动员实现他们的梦想。

运动器材曾经是由天然材料,如木材、细绳、皮革和牛内脏,但由于化学,现在大多数是由不同的材料组合特定于每个运动。

这些新材料也提高性能的运动,”安迪·帕森斯说,一个纽约大学的有机化学讲师,英国也经营着一个网上课程的日常应用化学,包括体育的材料。

化学家们已经开发出新的、更便宜的合成聚合物或塑料等材料让大多数人运动,”帕森斯表示,特别是在天然材料可以是昂贵的或仅可在供应有限。如您所料,许多不同类型的聚合物被用于运动器材(参见聚合物规则,好下面),与冬季运动不例外。

许多层的滑雪板

高密度聚乙烯strength-to-density比率高使其强大而轻,适合雪橇和滑雪板。锦Leang是犹他大学的机械工程教授在美国,热衷于滑雪。Leang学会让自己的滑雪板从他的表弟,一连持续了许多年。Leang解释说,做一对功能滑雪板是相对简单的,尤其是在传统的滑雪板是用木头,蒸成的形状。现代滑雪,然而,是一个更为复杂和由不同的层和材料优化它们的属性和性能。

一个图像显示新旧滑雪板

来源:离开©除股票照片;对©伤风

老滑雪板用木头(左)可能看起来不同于现代同行(右),但即使在今天一些滑雪板仍然包含一个木制的核心

滑雪有三个层次:基础,核心和环氧树脂,所有这些都是用金属合金包裹沿边缘。滑雪的基础是由高密度聚乙烯,塑料,幻灯片和维护其属性在低温下。这是核心,通常由聚合物泡沫、森林或金属合金。然而,Leang使滑雪板从更加不寻常的材料:“我认为这是很酷的可持续性方面,所以我在滑雪,我尝试使用回收材料。例如,回收木材,伟大的工作。纸板,并非如此。”Leang预期,纸板吸收过多的树脂使滑雪板很重,尽管他们仍然功能的。环氧树脂包含与高模量碳纤维或玻璃纤维材料支持的结构荷载滑雪。这是必要的,因为Leang解释说,“木头本身将打破如果你使用它作为一个滑雪和flex太多…所以,为了携带负载,你需要把它与另一种物质的。

Leang解释说有四个因素时要考虑设计滑雪板:形状、灵活性、质量和阻尼。阻尼是滑雪板吸收震动的能力,这是最难控制的。你越快滑雪,滑雪板震动,导致他们失去接触表面使其更难控制。这尤其奥林匹克滑雪速度下斜坡的问题接近每小时100英里。

为了有阻尼,基本上确定(滑雪)flex和某些材料有更好的阻尼特性需要被放置。“Leang已经试验了改善这个属性在实验室使用functionalised碳纳米管环氧树脂悬浮。纳米复合材料是functionalised所以他们互相回避滑雪板振动时,弯曲的时候像一本书的页面。这种纳米管之间的相对运动导致摩擦,导致热量消散,无法恢复,引入阻尼。的最酷的是,这样做你不改变滑雪的质量(多)…就像0.5 - -1%体积分数,它非常小。不过,这意味着它的成本将继续留在实验室,从白雪皑皑的山坡。

聚合物的规则,好吗?

许多聚合物用于运动器材,因为他们可以提供增强的舒适、便利、更好的一致性和对传统材料的功能,解释了安迪牧师约克大学的。例如,聚碳酸酯不脆,容易塑造成不同的和不寻常的形状使独木舟,这个选择一个合适的皮艇和设备安全头盔。帕森斯还补充说,聚碳酸酯的高阻力,是防碎的,透明的,这就解释了使用护目镜,面罩,面罩”。

一个图像显示比较现代,一个古老的网球拍

来源:©英国多林金德斯利有限公司制造书籍除股票的照片

网球拍由聚合物和碳纤维更轻,比木制的前辈

“相比之下,我们有聚氨酯氨纶是很受欢迎的材料呼吁体育服装,”帕森斯说。发达国家早在1950年代,氨纶是合成纤维的名称也被称为弹力,polyether-polyurea共聚物,用杜邦莱卡做服装贸易的名字。氨纶是轻量级的,但它不会被阳光,汗水或洗涤剂,所有这些会损害其他传统材料,如羊毛,”帕森斯解释道,使它理想的服装材料和用于许多不同的运动。

聚氨酯也见于网球拍的核心处理和包装在碳纤维增强聚酰胺层,给予更高的力量在一个球比传统材料如木头。帕森斯解释说,“体育器材是提高性能的极限设计以及使设备尽可能友好和帮助运动员避免受伤的。这个网球拍手柄设计,因为它也抑制了振动所经历过的手腕和肘部,因此减少了受伤的风险。

纳米材料是另一个受欢迎的选择,发现在许多不同的运动。这些材料至少有一个维度局限在纳米尺度,如碳纤维。(碳纤维)给出了一个增加的强度重量比,它提供了更严厉的冲击性能比其他可以通过使用复合材料,”帕森斯说。例如,碳纤维自行车现在竞争的标准选择骑自行车的人因为他们更轻,更坚固耐用。此外,振动抑制的碳纤维质量有助于确保一个非常平稳的。而纳米材料的性能属性令人印象深刻,帕森斯警告说,碳纤维是不容易修复,可以限制装备的寿命,因此对所有骑自行车的人并不总是最好的选择。

选择的材料通常是复合材料,帕森斯解释说,由两个或两个以上的材料有不同的化学和物理性质,结合生产材料有其独特的特色。我们通常的目标尽可能高刚度的材料,最不可能的体重,”帕森斯说。我们看特定的模量最高的低密度材料,这意味着最高的刚度重量比。

技术兴奋剂

虽然科学进步常常拥抱在奥运会这样的竞技体育,不是所有最终被当局允许控制运动。这可以,因为走得太远,被认为是改善运动员不公平的优势,最终导致比赛的禁令。世界反兴奋剂机构不仅有责任应对药物,但其职权范围也涵盖了体育器材,”帕森斯说。

2021年,例如,滑雪和滑雪板的国际管理机构,金融中间人,禁止氟滑雪蜡”不是因为提高性能,但因为环境和健康问题的,帕森斯解释说。滑雪蜡用于下坡滑雪帮助滑雪板滑翔在雪和排斥水,使氟的理想组件。

山鸟Plassmann实验室经理在斯德哥尔摩大学环境科学研究所和研究滑雪蜡在瑞典Vasaloppet斜坡上的她的博士学位。分析的一个主要的想法是氟化的成分,这semifluorinated正烷烃,“Plassmann说。我建立了一个分析方法采用气然后出去滑雪追踪看看我们是否能在那里找到他们。的含氟化合物不能自然分解,或者他们分解成其他持久性物质意义积累斜坡上,导致这一新的裁决。此外,“这些物质已经被证明对动物和人类的毒性作用。禁止氟滑雪蜡可能不会是最后一次,根据帕森斯。“我预计将有一个更强调可持续性运动材料。”

其他技术已经被禁止,因为“有一种感觉,它可以简化某些运动,可能会造成不公平,确保发达的运动员有优势的,帕森斯说,一个优势有时被称为掺杂技术。

一个图像显示两个模型在Speedo的LZR游泳西装

Speedo LZR泳衣

来源:©Toru Yamanaka /法新社/盖蒂图片社

LZR泳衣在2009年被禁止了,23个世界记录被打破后在2008年北京奥运会上运动员穿它们

在snowsports,当局禁止skisuit声称阻力减少到1994年的40%。更著名的情况下,LZR泳衣,由Speedo和与美国国家航空航天局(Nasa)联合技术被认为是兴奋剂,被国际泳联禁止,国际游泳联合会,2009年。这是一个全身泳装用聚氨酯和尼龙聚合物,通过身体的高压缩简化了游泳。这是设计用来模仿鲨鱼的皮肤和据报道减少表面摩擦阻力在水里令人难以置信的24%,”帕森斯说。25个世界纪录打破的2008年奥运会,23个竞争者都穿LZR泳衣。最后一次这么多一次世界记录被打破时介绍了游泳眼镜在1976年奥运会,但护目镜以这个鲨鱼状的泳装的成本的一小部分。泳衣的新执政的州必须是交织在一起的纺织品,防止塑料使用。

成本只是可笑的:你可以买一辆车,轮椅上的成本

但必须小心,以确保禁止技术不会导致一个更不公平的竞争。伊恩Brittain残奥会历史学家是残奥会的感兴趣的社会影响。Brittain解释说,“技术掺杂”这个词可以用来防止残疾运动员与非残疾运动员声称他们正处于竞争优势,因为“技术艾滋病”。2007年世界田径,国际体育管理机构,宣布艾滋病技术不可能是由运动员在奥运会上使用。说他们赢不了不管怎样,Brittain:残疾运动员正在阻止竞争,因为竞争的技术,让他们在第一时间。

设备在残疾人运动大大改变了几十年来,Brittain描述。在1950年代和60年代,只有一种轮椅,它是一个重要的沉闷的大皮革绑定回它,“这是用于所有运动。现在,有许多体育专门设计的轮椅,碳纤维赛车椅由宝马等对美国体育团队。的成本只是可笑的:你可以买一辆车的成本日常使用轮椅,“警告Brittain补充说,残疾人的生活成本可以比一个身体健全的人高出60%。

Brittain给双腿截肢的例子强调法规的残奥会。“如果你有两个假肢,假肢不允许让他们比如果他们的腿高。这意味着一个运动员的步长不能增加他们的假肢和“必须符合他们的天然体型。”

以外的第一个夏季残奥会,包括损伤脊髓损伤发生在1976年在多伦多,加拿大,来自40个国家的1657名运动员参加比赛时的情况。这也是同年首次冬季残奥会发生在Ornskoldsvik,瑞典,它只有两个运动:高山和越野滑雪。从那时起,这增加了包括七个学科:高山和越野滑雪、冬季两项、冰壶、para-ice曲棍球和雪板。

技术修复

所有这些技术将经历磨损的残奥会事件,和Ottobock假肢公司,自1988年以来一直与残奥会提供维修。Ottobock全球事件主管彼得•Franzel技术维修服务的必要性解释道:“你可以世界上最好的滑雪,但如果你的轮椅坏了,你不能离开你的住宿,你将不能去竞争区域,”补充说,多数等日常设备维修的轮椅。任何人,从运动员到教练和家人,可以访问的设备修理无论品牌和免费。

2038年2020年东京残奥会,维修是由Ottobock的106名工程师。装备维修中心,四个40英尺集装箱装满19000不同的工具和机械零部件运往东京,强调是多么关键材料和工程运动。

“你永远不知道你的下一份工作是什么,因为有时候轮椅的轮胎是平的,那很简单,”Franzel说,有时坐滑雪框架破裂或破裂,需要注意。坐雪橇包含一个高山滑雪附带一个机械装置,使用暂停机制从摩托车。运动员与这坐滑雪,有时由塑料或碳纤维,并根据这一点,我们需要有正确的设备去修理损坏的地方,“Franzel解释道。

碳纤维也用于赛车假肢,这是第一次使用1988年残奥会在首尔,并仍然是一个受欢迎的选择材料。

令人惊讶的简单

运动中使用的假肢是技术很简单,“Franzel解释道。相比之下,每日假肢可以有微处理机控制的膝盖,承认如果有人坐下来或下降,并据此做出反应,和设计时向后走。在赛车假肢膝关节,然而,“只需要非常快进和他们没有安全相关系统内部,他们没有下降的预防,Franzel解释道。

一个图像显示sitski滑雪

来源:©加里·沃尔顿@ Meiklejohn

坐雪橇有塑料或碳纤维座椅,附加到一个滑雪使用车型悬架

赛车假肢的特点是由碳纤维层是如何组合和他们的定位,根据Franzel。碳纤维通常结合合成聚合物,帕森斯解释说“这些提供正确的平衡的刚度和flex大大减少重量比传统材料,如木”。

另一个因素是假体的厚度和整体形状变化有多软或硬的叶片,这需要根据运动员的体重。Franzel解释说,一个更重的人产生更多的权力和力量更厚的材料,需要更多的层,假体能够承受这个。所有这些叶片的力,如果有一个裂缝在碳纤维做的,“Franzel解释道。“你不能修理它,你需要替换他们。

碳纤维是有时也用于创建套接字的假体,但大部分时间是用热塑性塑料的。Franzel说。这是一个塑料,热的时候你可以塑造它,这是很重要的,因为这个套接字需要100%符合树桩。“最近,3 d打印技术的进步意味着这些材料越来越被用于制造插座在赛车和日常使用假肢。

Franzel建议看para-ice曲棍球或视障残奥会的高山滑雪。如果你是滑雪,你知道感觉下降斜率,和视障滑雪者以前一个人驾驶他们大喊“左、右、停止、缓慢、快”!而看,花一点时间去欣赏许多复杂的层在滑雪和它的属性是如何被调整在过去的几十年里随着科学进步。

最近运动性能、安全、舒适和可持续性设计设备时需要考虑不同的运动和将继续调整。在精英体育,非常小的利润将定义一个成功的性能,帕森斯说。所以这些材料可以产生巨大的影响,他们已经彻底改变了一些体育运动。

艾莎al - janabi是一个基于科学作家在伦敦,英国