2月15日，北京冬奧會(huì)單板滑雪男子大跳臺(tái)決賽中，中國(guó)隊(duì)選手蘇翊鳴以兩跳1800度高難度動(dòng)作贏得金牌。而他優(yōu)美炫酷的旋轉(zhuǎn)跳躍是如何做到的？這里面也有深?yuàn)W的物理學(xué)知識(shí)。

從頂端積蓄動(dòng)能很關(guān)鍵

運(yùn)動(dòng)員的各種復(fù)雜動(dòng)作歸根結(jié)底是由兩種基本運(yùn)動(dòng)組成的，即運(yùn)動(dòng)員質(zhì)心的平動(dòng)和圍繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)。

蘇翊鳴在滑雪大跳臺(tái)上的完整運(yùn)動(dòng)過(guò)程，大約可以分為3個(gè)部分：動(dòng)能積蓄階段、騰空階段和落地緩沖階段。

在動(dòng)能積蓄階段，運(yùn)動(dòng)員從大跳臺(tái)頂端出發(fā)下降，重力勢(shì)能一大部分轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，還有一小部分消耗在雪板與雪道的摩擦，克服空氣阻力等過(guò)程中轉(zhuǎn)化成熱能。在這個(gè)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員除了起跳時(shí)的蹬地外，身體各部分具有相同的速度方向和大小，可以簡(jiǎn)化成質(zhì)心沿斜面滑下并在對(duì)側(cè)斜面上沖的平動(dòng)的過(guò)程。

2月14日，中國(guó)選手蘇翊鳴在北京冬奧會(huì)單板滑雪男子大跳臺(tái)比賽中。（新華社）

空中旋轉(zhuǎn)要承受5—10倍的重力

在騰空階段，運(yùn)動(dòng)員不但在進(jìn)行一個(gè)質(zhì)心以起跳臺(tái)約25度仰角的“斜上拋”運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還在進(jìn)行兩個(gè)自由度上的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，一是圍繞豎直軸的轉(zhuǎn)體動(dòng)作，二是選手本人彎曲身體抓板等動(dòng)作。蘇翊鳴從騰空到落地的時(shí)間大約都不足2秒，在2秒內(nèi)要完成5圈的旋轉(zhuǎn)。這意味著角速度達(dá)到了約5π，按運(yùn)動(dòng)員肩寬40厘米左右估算，手臂即便緊貼身體，旋轉(zhuǎn)半徑20厘米時(shí)，感受到的離心加速度也達(dá)到約50米/秒2，即局部的離心加速度已經(jīng)是重力加速度的5倍多。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員旋轉(zhuǎn)半徑達(dá)到一般人打開手肘所能達(dá)到的40厘米左右時(shí)，邊緣的離心加速度達(dá)到重力加速度的10倍。普通人承受過(guò)載的極限大約在3倍重力加速度左右，飛行員能達(dá)到6-7倍，航天員的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)再高一些。雖然運(yùn)動(dòng)員在高速旋轉(zhuǎn)中只是局部感受高加速度，然而此時(shí)做動(dòng)作，比如打開手臂，這部分身體的“重量”會(huì)增加到原來(lái)的10倍，抬起手臂就不是一件容易的事了。

落地時(shí)速可達(dá)70公里

落地階段是通過(guò)地面滑行的摩擦阻力逐漸降低速度進(jìn)行緩沖的階段。按照動(dòng)量定理，同樣的動(dòng)能變化，作用時(shí)間越長(zhǎng)，相應(yīng)的作用力越小。因?yàn)樘_(tái)滑雪騰空到落地絕對(duì)高度仍在下降，選手的質(zhì)心平動(dòng)速度依然在增加，它們落地時(shí)的速度甚至能達(dá)到約70公里/小時(shí)，而此時(shí)運(yùn)動(dòng)員還在進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)，如果落地時(shí)滑雪板的前進(jìn)方向不準(zhǔn)確，非常容易發(fā)生翻滾。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員以數(shù)十公里的時(shí)速與雪面接觸，那里的雪面可并不松軟，雖然不是正碰，仍然會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力，甚至能讓運(yùn)動(dòng)員骨斷筋折。

在冬奧項(xiàng)目的競(jìng)技中，運(yùn)動(dòng)員通過(guò)在冰雪上的飛馳、跳遠(yuǎn)、旋轉(zhuǎn)而最終取得成功的技術(shù)動(dòng)作，必然是符合物理基本規(guī)律的；反言之，許多選手也正是在科學(xué)的指導(dǎo)下，更高效率地提升了自己的技術(shù)。

（作者系北京交通大學(xué)國(guó)家級(jí)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心教師、光學(xué)博士）

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