史詩級(jí)動(dòng)作！羽生結(jié)弦挑戰(zhàn)的4A到底有多難？一秒轉(zhuǎn)4圈半…

本文專家：郭光星，能源領(lǐng)域工程師

本文審稿：付強(qiáng)，中國作協(xié)、北京作協(xié)、北京科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員，高級(jí)工程師，北京大學(xué)物理學(xué)院博士

2月10日上午，北京冬奧會(huì)花樣滑冰男子單人滑自由滑項(xiàng)目的比賽在北京首都體育館進(jìn)行。

這場比賽可能是備受關(guān)注的一場。

曾蟬聯(lián)過去兩屆冬奧會(huì)該項(xiàng)目的冠軍，羽生結(jié)弦在本屆冬奧會(huì)上挑戰(zhàn)了花滑屆的最高難度4A動(dòng)作。

但遺憾，前2個(gè)動(dòng)作都摔倒在了冰面上。最終獲得188.06分，總分283.21。

這個(gè)被認(rèn)為是挑戰(zhàn)人類極限的動(dòng)作，到底是什么？現(xiàn)在就來科普一下。

探索“冰上芭蕾”的物理學(xué)奧秘

花滑運(yùn)動(dòng)員為什么能在冰面上完成跳躍、旋轉(zhuǎn)等高難度動(dòng)作？

花樣滑冰兼具美感和動(dòng)感，有著“冰上芭蕾”的美稱，運(yùn)動(dòng)員在冰面上要完成跳躍、旋轉(zhuǎn)等一系列動(dòng)作。

他們自身在旋轉(zhuǎn)的過程中，往往會(huì)控制雙臂的位置和姿勢，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)中角動(dòng)量守恒，若打開雙臂，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)增加，旋轉(zhuǎn)速度就會(huì)減小。反之，轉(zhuǎn)動(dòng)速度則會(huì)增大。

轉(zhuǎn)體動(dòng)作在原理上似乎并不復(fù)雜，但跳躍動(dòng)作則具有一定的挑戰(zhàn)性。運(yùn)動(dòng)員在起跳時(shí)需要注意用力方向，腳蹬冰面時(shí)施加一個(gè)斜向下的力，使其離開冰面做斜拋運(yùn)動(dòng)。這個(gè)力同時(shí)提供了斜拋運(yùn)動(dòng)的初速度，以及形成運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)體角動(dòng)量的力矩

但是運(yùn)動(dòng)員如果進(jìn)入滯空階段（身體騰空，位于半空中），所受外力力矩為零（重力作用質(zhì)心），無法改變角動(dòng)量。這時(shí)他們往往通過改變姿勢來減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，增大轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，例如將雙臂展平，將手聚到頭頂?shù)取?/p>

羽生結(jié)弦挑戰(zhàn)的4A到底有多難？

4A的專業(yè)說法是“阿克塞爾四周跳”，公認(rèn)花滑領(lǐng)域最難的動(dòng)作，由挪威選手阿克塞爾·保爾森在1882年首次完成。

4A看似比3A要多跳一周，但實(shí)際要轉(zhuǎn)四周半，而這一周半使得4A的最高點(diǎn)提高了整整17公分，落冰點(diǎn)也要增加1米多的距離。為了準(zhǔn)備好這些必要條件，運(yùn)動(dòng)員在騰空前必須要將速度提高10%。

此外，A跳是一個(gè)向前跳躍的動(dòng)作，在轉(zhuǎn)體之前，運(yùn)動(dòng)員的重心不可避免地處于冰刀的外側(cè)，如果稍不注意，冰刀極有可能發(fā)生橫向打滑，危險(xiǎn)性很大。

羽生結(jié)弦在北京冬奧會(huì)選拔賽的賽前公開訓(xùn)練賽上，曾首次成功完成4A，但也難以輕松駕馭。在備戰(zhàn)北京冬奧會(huì)的訓(xùn)練中，他嘗試了幾次4A，但也沒有成功。自由滑中沖擊4A，第一跳羽生結(jié)弦出現(xiàn)了失誤，摔倒在地。

“雪上雜技”的物理學(xué)較量

谷愛凌參加的便是自由式滑雪，目前獲得了自由式滑雪女子大跳臺(tái)冠軍。

與其它滑雪項(xiàng)目不同，自由式滑雪的運(yùn)動(dòng)員可以選擇嘗試更多類型的動(dòng)作，典型且難度較大的動(dòng)作包括翻騰和旋轉(zhuǎn)。

運(yùn)動(dòng)員起步沿著雪地出發(fā)時(shí)，便具備了一個(gè)恒定的角動(dòng)量。但在騰空時(shí)，身體蜷縮起來之后降低了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，獲得了更大的旋轉(zhuǎn)速度，從而保證翻轉(zhuǎn)更多的圈數(shù)，完成更高難度的動(dòng)作。在即將落地時(shí)，為了保證落地平穩(wěn)，需要展開雙臂，增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，減低翻轉(zhuǎn)的速度。

所以，滑雪運(yùn)動(dòng)員在翻轉(zhuǎn)過程中雙臂的位置和姿勢很重要。運(yùn)動(dòng)員的身體與迎面而來的氣流相互作用，合適的姿勢可以顯著降低比賽階段的空氣阻力。

另外，裝備也會(huì)影響空氣阻力。外套、頭盔等附加裝置產(chǎn)生的阻力大概占總阻力的8%，外套的面積遠(yuǎn)比頭盔大得多，對(duì)它進(jìn)行減阻設(shè)計(jì)更為重要。根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)速度，選擇合適的織物也很重要，因?yàn)獒樋椇蜋C(jī)織織物的表面形態(tài)不同，在空氣動(dòng)力學(xué)方面的表現(xiàn)特征也不盡相同。

“冰上象棋”物理技巧的運(yùn)用

冰壺是 一種極具特色的冰雪運(yùn)動(dòng)，更側(cè)重“排兵布陣”的策略，素有“冰上國際象棋”的稱號(hào)。

首先，冰壺賽道本身并不是平整的，它中間凹陷兩側(cè)微微隆起，是一個(gè)U型滑道。冰壺賽道通過多次噴灑水珠，使其表面變得如鵝卵石般凹凸不平。而冰壺從離開投手的那一刻起，它與冰面之間的微小摩擦力便是改變其軌跡的唯一影響力。

刷冰可以清除路徑上的少量污垢和碎屑，擦洗冰面上形成的霜凍，最重要的是可以融化少量冰。冰在壓力和摩擦力的作用下融化成水，這薄薄的一層水就像是潤滑油一樣，讓冰面的摩擦力變得非常小。刷冰不僅可以使冰壺滑行得更遠(yuǎn)，還可以調(diào)整它的前行軌跡。

其次，擲壺員在出手前會(huì)輕輕撥動(dòng)冰壺的壺柄，使其繞自身發(fā)生旋轉(zhuǎn)。如果逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，那么它會(huì)在前進(jìn)過程中微微向左彎曲，如果順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則會(huì)向右偏轉(zhuǎn)。

摩擦力是同運(yùn)動(dòng)方向是相反的，因此旋轉(zhuǎn)的冰壺不僅會(huì)受到向后的摩擦力，還受到同旋轉(zhuǎn)方向相反的摩擦力。比如一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的冰壺，它的前半部分就受到向左的摩擦力，而后半部分則受到向右的摩擦力。

冬奧會(huì)還在如火如荼地進(jìn)行中

祝冬奧健兒們勇創(chuàng)佳績

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