| 冰雪運動裝備 | 雪服的歷史回顧和熱平衡理論

前言為了推動我國冰雪運動跨越式發展，幫助提高運動裝備的研發和生產水平，服務於專業運動員及大眾滑雪運動愛好者。在國家科技部科技助力北京冬奧專案的支援下，特面向自由式滑雪、單板滑雪、高山滑雪、越野滑雪等運動的頭盔、眼鏡、服裝、雪鞋、雪板、固定器和護具等穿戴式裝備，開展了各類裝備工效評測方面的研究。本專題旨在提煉以上運動裝備工效評測的相關知識，為滑雪運動者提供選型和選用、研發與評測等用途的素材，為降低運動風險性、提高運動愉悅感，提升運動表現而服務。

體育工程 Sports Engineering

雪服的歷史回顧和熱平衡理論

休閒娛樂滑雪主要考慮舒適性的兩個角度，溫度和溼度。而競技型滑雪中，舒適性成為次要考慮因素(儘管仍然很重要) ，焦點轉移到最佳化競爭者的運動表現上。

01 歷史回顧

WINTER早在史前人類時代，滑雪就已經是北歐人運輸和狩獵的一種方式，最古老的整套滑雪板可以追溯到5200年前。紡織服裝和裝置的發展反映了滑雪運動的進步。從本質上講，服裝系統需要保護穿著者免受環境的影響，同時，在緊張的活動中提供舒適感並幫助運動員提高運動表現。

從紡織品的角度來看，在新石器時代、銅器時代或更早的時候使用的是從未經提煉的天然纖維和材料，如毛皮、皮革和草等。一直髮展到如今，主流織品材料成了人造和高度加工的天然纖維織物。

由鹿皮和熊皮製成的鞋子，外面有一個草網可以將草和苔蘚儲存起來作為絕緣體。這種雙層的方法和現代滑雪靴的設計方法非常相似。下圖顯示了一個早期滑雪者的例子，其服裝很有可能是由棉花或羊毛製成。而現代競技運動員在設計和材料選擇方面的差異不僅體現在服裝上，還有裝置上。

圖(a) 奧地利聖安東早期休閒滑雪服裝的例子

（b）Eva Marina在世界盃上為奧地利滑雪隊比賽

休閒滑雪休閒滑雪很難定義。因為最初滑雪是狩獵的一種工具，但是從一些歷史文物中的證明來看，早期的滑雪並不能排除史前人類滑雪是出於娛樂的可能性。滑雪運動有一些記錄在案的事件; 例如，1800 年，挪威Telemark地區的跳臺滑雪被報道，不久之後，距離的記錄被儲存下來。1843 年，最早有記錄的比賽在挪威的Tromsø舉行，到了19世紀中期，滑雪比賽在全球許多地方已經很普遍，並且會提供現金獎勵。從那時起，許多運動專案圍繞著滑雪發展起來，包括單板滑雪、雪橇和團體滑雪等等。

如今，雪上運動產業每年有大量的滑雪日。例如，在美國國家滑雪場協會和 RRC Associates公司進行的年度調查中，過去10年的資料顯示，僅在美國，滑雪天數就在5000萬至6000萬天之間，從而支援了數十億美元的經濟，而這又支援了一個龐大的服裝和裝置產業。

02 冬季高山條件下的服裝要求

在高山條件下，尤其是在冬季，衣服最重要的作用是抵禦寒冷。從統計學角度來看，不考慮其他環境因素，單是感冒就會顯著增加死亡率(p<0.05) 。而與低溫相關的危害包括從凍瘡等短期不適的症狀到壽命縮短等。

03 人體熱平衡方程

人體熱平衡方程用來描述人體熱量系統的平衡。其模型是為了顯示代謝產熱的平衡-代謝產生的能量(M)減去機械作功的能量(W)-和所有熱損失系統的總和，包括熱儲存率(即系統是加熱還是冷卻)。

其中M是代謝能輸出,W是機械功，E是蒸發熱損失，R是輻射熱損失，C是對流熱損失,K是導熱熱損失，S是儲熱量。這意味著產生的能量減去使用的能量，就會產生多餘的能量，這些能量就會以熱的形式釋放出來。然後這個能量被熱量損失系統和熱量儲存速率的總和所平衡。換句話說，儲熱率可以表示為

這表明，如果代謝熱輸出(M-W)高，熱損失系統(E，R，C和K)低，S將是正值，因此，該系統將以該速率升溫。然而，如果熱損失系統總體上高於合成代謝產生的熱量輸出，則S將變為負值，從而描述一個正在冷卻的系統。考慮到新陳代謝的能量輸出和工作是由運動活動和運動員的生理機能決定的，運動服可以影響的變數是所有的熱量損失系統。

蒸發傳熱

熱量的損失是由於面板上的水分(即汗液)從液體變成了氣體，從而消耗了來自環境的能量(面板和面板的空氣)。為了達到有效的蒸發熱傳遞，汗液應該分佈在面板的大表面上，外衣應該是滲透性的——能夠吸收水汽並儘量減少內部的冷凝，以便保持溫度變化梯度。

輻射傳熱

輻射傳熱是指透過電磁輻射傳遞能量。與蒸發、對流和傳導相比，這種型別的熱損失是非常低的。太陽輻射是唯一的主要考慮因素，由於雪的反射性質，輻射水平很高，從而使滑雪者升溫，然而，作為一種熱損失方法，滑雪者發出的輻射相對較低。為了儘量減少來自太陽的輻射熱量，衣服應該更具反射性。

對流傳熱

對流傳熱是暖空氣的運動，在很大程度上受氣流和風速的影響。滑雪者可以透過在他們的衣服系統中開啟通風裝置來調節對流熱量的損失。此外，衣服的設計合身也可以對對流熱量損失產生很大影響。

傳導熱

傳導是透過能量的直接轉移而發生的，能量透過相鄰的粒子以動力學方式傳遞，從高能粒子到低能粒子。所以當熱的物質加熱周圍環境時，能量必須從相鄰的分子/原子傳遞，因此固體和液體比氣體傳導更好，因為它們有更密集的分子堆積，所以能量很容易傳遞。相反，在氣體中，分子間距很大，所以當一個分子 的能量透過熱表面升高時，它就依靠擴散和與其他分子的碰撞來傳遞能量。這是一個與紡織品絕緣相關的重要定律，在這個定律中，增加捕獲的空氣比例會增大傳導的熱阻。這一原理解釋了羽絨的絕緣效能背後的力學原理。

參考：https://doi.org/10.1016/B978-1-78242-229-7.00011-4