本屆冬奧會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，即使是當(dāng)今唯一一個在世界大賽中跳出4A（阿克塞爾四周跳）的選手，卻因多項(xiàng)跳躍動作未完成而未獲獎牌。

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)雜評分規(guī)則，我們也能在觀賞高難度動作時獲得心跳加速，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)動員必須為自己爭取足夠長的空中時間，并獲得足夠大的旋轉(zhuǎn)動力，這兩點(diǎn)都由蹬冰起跳的動作決定。

起跳瞬間垂直向上的速度決定了跳躍高度，同時也決定了滯空時間。高水平運(yùn)動員在起跳時垂直速度更大，這讓他們能在空中停留更久，有時間轉(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

落地技巧也會影響滯空時間。適當(dāng)彎曲下肢關(guān)節(jié)，可以讓身體在重心更低時才接觸冰面，讓空中停留時間稍微增加。這樣增加的時間雖然很短，但也有機(jī)會讓運(yùn)動員多旋轉(zhuǎn)10-20度[2]，有時可能會決定動作的成敗。而高手的對決，就在細(xì)節(jié)表現(xiàn)之間。

本屆奧運(yùn)會花滑比賽直觀地呈現(xiàn)了起跳高度和滯空時間（左下角）

增加滯空時間對完成動作有利，但運(yùn)動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，運(yùn)動員還必須扭轉(zhuǎn)身體和四肢，在蹬冰時獲得旋轉(zhuǎn)的動力。在這個過程中，運(yùn)動員會獲得一定大小的角動量。這個物理量決定了空中旋轉(zhuǎn)的潛力：角動量越大，高速旋轉(zhuǎn)就越容易實(shí)現(xiàn)。

在起跳階段，運(yùn)動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)動員就無法再借助外力增加角動量，此時他們處于角動量守恒的狀態(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，運(yùn)動員總是會把手臂和雙腿向內(nèi)收緊，這是為了減少轉(zhuǎn)動慣量。轉(zhuǎn)動慣量是一個描述物體旋轉(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，運(yùn)動員的各部分質(zhì)量都很靠近旋轉(zhuǎn)軸，此時轉(zhuǎn)動慣量就會減??；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)動慣量就會變大。

收緊肢體與舒展肢體時的轉(zhuǎn)動慣量對比 | tdk.com

改變轉(zhuǎn)動慣量可以讓旋轉(zhuǎn)速度（角速度）發(fā)生變化。在角動量守恒的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動慣量與角速度的乘積保持不變，因此轉(zhuǎn)動慣量越小，角速度就會越大。

這是一個轉(zhuǎn)動慣量影響轉(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)動慣量減小，此時玩具旋轉(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。而這又會改變質(zhì)量分布，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動慣量增加，拖慢旋轉(zhuǎn)速度。

為了避免這一點(diǎn)，運(yùn)動員就必須繃緊肌肉，施加向心力“拉住”手臂。圓周運(yùn)動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)速度就會明顯變慢。 | Jim Richards

在旋轉(zhuǎn)結(jié)束落地時，運(yùn)動員又會迅速伸展雙臂和自由腿。這樣一來，轉(zhuǎn)動慣量大幅增加，角速度隨之減小，運(yùn)動員就更容易停止旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行接下來的動作。

在旋轉(zhuǎn)結(jié)束落地時，運(yùn)動員總會迅速伸展肢體，這也是在依靠轉(zhuǎn)動慣量控制轉(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作的女性運(yùn)動員目前還比較少，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)五周跳也會非常困難?，F(xiàn)在，運(yùn)動員主要依靠收緊身體減少轉(zhuǎn)動慣量來提高轉(zhuǎn)速。頂尖運(yùn)動員已經(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：要么增加滯空時間，要么增加初始角動量。這些都需要強(qiáng)大的肌肉力量才能支撐。

然而，增加肌肉對花滑運(yùn)動又有不利影響。肌肉量增大意味著運(yùn)動員的身體容易變得更寬、更重——這又會增加人體轉(zhuǎn)動慣量的最小值，讓運(yùn)動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)動員，我們更常看到纖細(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)動作已經(jīng)讓花滑運(yùn)動員承受了相當(dāng)大的身體壓力和受傷風(fēng)險，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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