冬奧花滑賽場爆冷，這種動作堪稱奇跡

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數優勢，即使是當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雜評分規則，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雜的技術動作，不過它們也遵循著同一套基本的物理學規律。從力學的角度來看，花樣滑冰四周跳的奇跡是怎樣實現的呢？

起跳：高度和旋轉的絕妙平衡

要想在空中完成多周旋轉，運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動力，這兩點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，有時間轉完更多圈數。頂尖花滑選手能達到的最大騰空時間大約在0.7秒左右[1]。

馬里寧曾經成功完成的阿克塞爾四周跳，相當于在空中旋轉1620度

落地技巧也會影響滯空時間。適當彎曲下肢關節，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，但也有機會讓運動員多旋轉10-20度[2]，有時可能會決定動作的成敗。而高手的對決，就在細節表現之間。

本屆奧運會花滑比賽直觀地呈現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，運動員還必須扭轉身體和四肢，在蹬冰時獲得旋轉的動力。在這個過程中，運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的潛力：角動量越大，高速旋轉就越容易實現。

在起跳階段，運動員必須讓向上跳躍和旋轉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。不過，在空中他們還能繼續增加旋轉速度，這是靠改變身體姿態實現的。

在快速旋轉時，運動員總是會把手臂和雙腿向內收緊，這是為了減少轉動慣量。轉動慣量是一個描述物體旋轉慣性大小的物理量，它由物體的質量和質量的分布方式決定。

在收緊四肢時，運動員的各部分質量都很靠近旋轉軸，此時轉動慣量就會減小；如果向外舒展肢體，四肢質量分布在遠離旋轉軸的地方，轉動慣量就會變大。

收緊肢體與舒展肢體時的轉動慣量對比 | tdk.com

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

這是一個轉動慣量影響轉速的實驗演示。收緊玩具球讓質量分布更靠近旋轉軸，因此轉動慣量減小，此時玩具旋轉的速度就變快了。| Physics Demos

也就是說，只要在空中盡可能收緊四肢，就能讓運動員達到最快的轉速，讓四周跳成為可能。

雖然看起來簡單，但收緊姿勢實際做起來卻很辛苦。如果在放松狀態下旋轉，人的手臂很容易受慣性影響向外甩。而這又會改變質量分布，導致轉動慣量增加，拖慢旋轉速度。

為了避免這一點，運動員就必須繃緊肌肉，施加向心力“拉住”手臂。圓周運動的向心力大小與角速度平方成正比，所以一旦旋轉變快，“拉住”手臂所需的力就會增加。

旋轉中保持手臂收緊其實很辛苦，因此花滑運動員也需要強大的上肢力量。從圖中的模型演示可以看出，如果手臂收緊不足，旋轉速度就會明顯變慢。 | Jim Richards

在旋轉結束落地時，運動員又會迅速伸展雙臂和自由腿。這樣一來，轉動慣量大幅增加，角速度隨之減小，運動員就更容易停止旋轉并進行接下來的動作。

在旋轉結束落地時，運動員總會迅速伸展肢體，這也是在依靠轉動慣量控制轉速。 | NSF/Science360/NBC Learn

還能轉更多嗎？

目前，高水平的男性選手和少數女性選手可以在花滑比賽中完成四周跳。隨著訓練技術改進，轉圈數還有可能繼續增加嗎？

在比賽中完成過四周跳動作的女性運動員目前還比較少，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研究者黛博拉·金（Deborah King）指出，從理論計算來看，完成旋轉五周的后內結環跳或者后外點冰跳是有可能的[3]，而更高的旋轉圈數應該無法實現。

就算理論上有可能，真正實現五周跳也會非常困難。現在，運動員主要依靠收緊身體減少轉動慣量來提高轉速。頂尖運動員已經很好地掌握了這一技巧，這意味著靠繼續收緊來提速的空間已經很小了。

因此，要想轉更多圈，就需要更強有力的起跳：要么增加滯空時間，要么增加初始角動量。這些都需要強大的肌肉力量才能支撐。

然而，增加肌肉對花滑運動又有不利影響。肌肉量增大意味著運動員的身體容易變得更寬、更重——這又會增加人體轉動慣量的最小值，讓運動員即使收緊身體也沒法轉得很快。這種矛盾讓旋轉周數的提升變得很難。

比起健壯的運動員，我們更常看到纖細嬌小的花滑選手。窄體型和小體重都有利于減少轉動慣量，讓人更容易旋轉。| 圖蟲創意

當然，現在的技術動作已經讓花滑運動員承受了相當大的身體壓力和受傷風險，繼續挑戰極限或許也不是明智的決定。

參考文獻

[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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