本屆冬奧會(huì)的花樣滑冰男單自由滑比賽，今天凌晨大爆冷。哈薩克斯坦選手、21歲的米哈伊爾·沙伊多羅夫奪得金牌。
冠軍米哈伊爾·沙伊多羅夫丨AP
比賽中多位名將頻頻失誤，仿佛冰面被詛咒了一樣，包括被寄予厚望的美國選手伊利亞·馬里寧。即使他在前面比賽中積累了巨大的分?jǐn)?shù)優(yōu)勢(shì)，即使是當(dāng)今唯一一個(gè)在世界大賽中跳出4A（阿克塞爾四周跳）的選手，卻因多項(xiàng)跳躍動(dòng)作未完成而未獲獎(jiǎng)牌。
米哈伊爾·沙伊多羅夫三周跳接四周跳
即使沒那么懂花樣滑冰的復(fù)雜評(píng)分規(guī)則，我們也能在觀賞高難度動(dòng)作時(shí)獲得心跳加速，四周跳躍就是其中之一。
這些高難度跳躍各自都有復(fù)雜的技術(shù)動(dòng)作，不過它們也遵循著同一套基本的物理學(xué)規(guī)律。從力學(xué)的角度來看，花樣滑冰四周跳的奇跡是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？
起跳：高度和旋轉(zhuǎn)的絕妙平衡
要想在空中完成多周旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)員必須為自己爭取足夠長的空中時(shí)間，并獲得足夠大的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，這兩點(diǎn)都由蹬冰起跳的動(dòng)作決定。
起跳瞬間垂直向上的速度決定了跳躍高度，同時(shí)也決定了滯空時(shí)間。高水平運(yùn)動(dòng)員在起跳時(shí)垂直速度更大，這讓他們能在空中停留更久，有時(shí)間轉(zhuǎn)完更多圈數(shù)。頂尖花滑選手能達(dá)到的最大騰空時(shí)間大約在0.7秒左右[1]。
馬里寧曾經(jīng)成功完成的阿克塞爾四周跳，相當(dāng)于在空中旋轉(zhuǎn)1620度
落地技巧也會(huì)影響滯空時(shí)間。適當(dāng)彎曲下肢關(guān)節(jié)，可以讓身體在重心更低時(shí)才接觸冰面，讓空中停留時(shí)間稍微增加。這樣增加的時(shí)間雖然很短，但也有機(jī)會(huì)讓運(yùn)動(dòng)員多旋轉(zhuǎn)10-20度[2]，有時(shí)可能會(huì)決定動(dòng)作的成敗。而高手的對(duì)決，就在細(xì)節(jié)表現(xiàn)之間。
本屆奧運(yùn)會(huì)花滑比賽直觀地呈現(xiàn)了起跳高度和滯空時(shí)間（左下角）
增加滯空時(shí)間對(duì)完成動(dòng)作有利，但運(yùn)動(dòng)員顯然不能把所有力氣都用來向上跳。在獲得垂直速度的同時(shí)，運(yùn)動(dòng)員還必須扭轉(zhuǎn)身體和四肢，在蹬冰時(shí)獲得旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。在這個(gè)過程中，運(yùn)動(dòng)員會(huì)獲得一定大小的角動(dòng)量。這個(gè)物理量決定了空中旋轉(zhuǎn)的潛力：角動(dòng)量越大，高速旋轉(zhuǎn)就越容易實(shí)現(xiàn)。
在起跳階段，運(yùn)動(dòng)員必須讓向上跳躍和旋轉(zhuǎn)跳躍的力度取得最佳的平衡。
騰空：收緊身體決定成敗
一旦騰空而起，運(yùn)動(dòng)員就無法再借助外力增加角動(dòng)量，此時(shí)他們處于角動(dòng)量守恒的狀態(tài)。不過，在空中他們還能繼續(xù)增加旋轉(zhuǎn)速度，這是靠改變身體姿態(tài)實(shí)現(xiàn)的。
在快速旋轉(zhuǎn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)員總是會(huì)把手臂和雙腿向內(nèi)收緊，這是為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一個(gè)描述物體旋轉(zhuǎn)慣性大小的物理量，它由物體的質(zhì)量和質(zhì)量的分布方式?jīng)Q定。
在收緊四肢時(shí)，運(yùn)動(dòng)員的各部分質(zhì)量都很靠近旋轉(zhuǎn)軸，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就會(huì)減??；如果向外舒展肢體，四肢質(zhì)量分布在遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸的地方，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就會(huì)變大。
收緊肢體與舒展肢體時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)比 | tdk.com
改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以讓旋轉(zhuǎn)速度（角速度）發(fā)生變化。在角動(dòng)量守恒的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與角速度的乘積保持不變，因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，角速度就會(huì)越大。
這是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)演示。收緊玩具球讓質(zhì)量分布更靠近旋轉(zhuǎn)軸，因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，此時(shí)玩具旋轉(zhuǎn)的速度就變快了。| Physics Demos
也就是說，只要在空中盡可能收緊四肢，就能讓運(yùn)動(dòng)員達(dá)到最快的轉(zhuǎn)速，讓四周跳成為可能。
雖然看起來簡單，但收緊姿勢(shì)實(shí)際做起來卻很辛苦。如果在放松狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)，人的手臂很容易受慣性影響向外甩。而這又會(huì)改變質(zhì)量分布，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加，拖慢旋轉(zhuǎn)速度。
為了避免這一點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)員就必須繃緊肌肉，施加向心力“拉住”手臂。圓周運(yùn)動(dòng)的向心力大小與角速度平方成正比，所以一旦旋轉(zhuǎn)變快，“拉住”手臂所需的力就會(huì)增加。
旋轉(zhuǎn)中保持手臂收緊其實(shí)很辛苦，因此花滑運(yùn)動(dòng)員也需要強(qiáng)大的上肢力量。從圖中的模型演示可以看出，如果手臂收緊不足，旋轉(zhuǎn)速度就會(huì)明顯變慢。 | Jim Richards
在旋轉(zhuǎn)結(jié)束落地時(shí)，運(yùn)動(dòng)員又會(huì)迅速伸展雙臂和自由腿。這樣一來，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大幅增加，角速度隨之減小，運(yùn)動(dòng)員就更容易停止旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行接下來的動(dòng)作。
在旋轉(zhuǎn)結(jié)束落地時(shí)，運(yùn)動(dòng)員總會(huì)迅速伸展肢體，這也是在依靠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制轉(zhuǎn)速。 | NSF/Science360/NBC Learn
還能轉(zhuǎn)更多嗎？
目前，高水平的男性選手和少數(shù)女性選手可以在花滑比賽中完成四周跳。隨著訓(xùn)練技術(shù)改進(jìn)，轉(zhuǎn)圈數(shù)還有可能繼續(xù)增加嗎？
在比賽中完成過四周跳動(dòng)作的女性運(yùn)動(dòng)員目前還比較少，俄羅斯選手亞歷山德拉·特魯索娃是其中之一 | Wikipedia
專注于花樣滑冰的生物力學(xué)研究者黛博拉·金（Deborah King）指出，從理論計(jì)算來看，完成旋轉(zhuǎn)五周的后內(nèi)結(jié)環(huán)跳或者后外點(diǎn)冰跳是有可能的[3]，而更高的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)應(yīng)該無法實(shí)現(xiàn)。
就算理論上有可能，真正實(shí)現(xiàn)五周跳也會(huì)非常困難。現(xiàn)在，運(yùn)動(dòng)員主要依靠收緊身體減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來提高轉(zhuǎn)速。頂尖運(yùn)動(dòng)員已經(jīng)很好地掌握了這一技巧，這意味著靠繼續(xù)收緊來提速的空間已經(jīng)很小了。
因此，要想轉(zhuǎn)更多圈，就需要更強(qiáng)有力的起跳：要么增加滯空時(shí)間，要么增加初始角動(dòng)量。這些都需要強(qiáng)大的肌肉力量才能支撐。
然而，增加肌肉對(duì)花滑運(yùn)動(dòng)又有不利影響。肌肉量增大意味著運(yùn)動(dòng)員的身體容易變得更寬、更重——這又會(huì)增加人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的最小值，讓運(yùn)動(dòng)員即使收緊身體也沒法轉(zhuǎn)得很快。這種矛盾讓旋轉(zhuǎn)周數(shù)的提升變得很難。
比起健壯的運(yùn)動(dòng)員，我們更?？吹嚼w細(xì)嬌小的花滑選手。窄體型和小體重都有利于減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，讓人更容易旋轉(zhuǎn)。| 圖蟲創(chuàng)意
當(dāng)然，現(xiàn)在的技術(shù)動(dòng)作已經(jīng)讓花滑運(yùn)動(dòng)員承受了相當(dāng)大的身體壓力和受傷風(fēng)險(xiǎn)，繼續(xù)挑戰(zhàn)極限或許也不是明智的決定。
參考文獻(xiàn)
[1] https://www.ithaca.edu/news/first-figure-skating
[2] King DL. Performing triple and quadruple figure skating jumps: implications for training. Can J Appl Physiol. 2005 Dec;30(6):743-53. doi: 10.1139/h05-153. PMID: 16485524.
[3] https://www.scientificamerican.com/article/how-olympic-figure-skaters-break-records-with-physics/
[4] https://www.smithsonianmag.com/science-nature/how-physics-keeps-figure-skaters-gracefully-aloft-180968051/
[5] https://www.popsci.com/science/quadruple-axel-figure-skating-impossible/
[6] https://www.earwolf.com/episode/can-figure-skaters-defy-gravity-with-dr-deborah-king/
作者：窗敲雨
編輯：luna
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