奥运会花样滑冰运动员如何打破物理记录

一位运动科学家解释了跳跃背后的生物力学，例如四重 Axel 以及身体的极限是什么

2022 年 2 月 10 日前，在北京首都体育馆举行的 2022 年冬奥会男子单人滑自由滑比赛中，美国队的 Nathan Chen 滑冰。

今天的花样滑冰运动员正在展现几十年前难以想象的运动能力。上周在北京举行的冬奥会上，美国滑冰选手陈内森带回了金牌短节目和自由滑表演充满了四级跳和三重奏。15 岁的俄罗斯滑冰运动员卡米拉·瓦列娃成为第一位在混合性别团体项目的奥运会比赛中完成四级跳远（实际上是两级）的女性。（根据新闻报道，Valieva检测出一种禁用物质——心脏药物曲美他嗪呈阳性。）四级跳或四级跳，包括从冰上起飞，在空中完成至少四圈并用一只脚着地。这样的成就需要精湛的力量、速度和优雅——但它们背后的物理原理相当简单。*

花样滑冰以大约六种类型的跳跃为特色。它们的区别在于滑冰刀的哪一部分跳出（前部，也称为“脚趾尖”或内边缘或外边缘）以及在空中进行的转数（单圈、双圈、三圈或四圈） . 脚趾跳跃包括翻转，lutz和脚趾循环。边缘跳跃包括循环，Salchow 和 Axel。

四头跳——包括四头 Salchows 和四趾环——在男子比赛中变得很普遍（大多数顶级男性滑冰运动员都会这样做），并且一些女性已经在奥运会以外的比赛中或在练习中使用它们。四重 Axel 通常被认为是最具挑战性的跳跃，因为它需要向前起飞和空中旋转四个半。迄今为止，没有任何人在比赛中成功完成第四轮 Axel，尽管日本的 Yuzuru Hanyu 等滑冰运动员已经尝试过。一些专家认为，五次跳跃——五次或五圈跳跃——理论上是触手可及的。

伊萨卡学院运动科学和运动训练教授黛博拉·金研究花样滑冰的物理学。《科学美国人》与她讨论了滑冰运动员如何发挥这些敏捷性、这项运动的物理界限以及今天的奥运会运动员如何扩展这些界限。

[以下是经过编辑的采访记录。]

你是如何开始学习花样滑冰的？

我在马萨诸塞大学阿默斯特分校获得了运动科学硕士学位，除了运动和运动中的生物力学之外，我真的不知道在那之后我想从事什么职业。科罗拉多州科罗拉多斯普林斯的奥林匹克训练中心的体育科学和技术部门有一个职位空缺。我去的时候，那里有一个花样滑冰训练营。其中一位教练对研究 Triple Axel 的生物力学非常感兴趣。所以这几乎将我的工作推向了花样滑冰的生物力学——这是一个非常酷的项目。在此之前我没有花样滑冰的经验。

你能解释一下主要跳跃类型背后的物理原理吗？

不管花样滑冰技术如何使一次跳跃与另一次跳跃不同，都有一些共同的基本物理原理。从纯粹的机械角度来看，毫无疑问，滑冰者必须在空中停留足够长的时间才能完成他们尝试做的许多旋转。为了获得跳跃的空中时间，这与跳跃高度有关——这与他们从冰上跳下时可以获得的垂直速度有很大关系。根据是脚尖跳还是边跳，他们为获得垂直速度所做的运动模式会有所不同。

对于脚趾跳跳，你有点想从脚趾挑上跳起来弹出。边缘跳跃，更像是你伸展你的腿，也许用你的手臂一点点来获得一些垂直速度。特别是对于脚趾跳跳，你所拥有的水平速度可以用来做更像撑杆跳式的动作。在这种情况下，额外的水平速度可能有助于在腿部储存更多能量。你是带着这种线性动量进来的，但是当你在腿上旋转时，这个水平运动实际上现在被垂直地重定向了一点。它被称为切向速度。因此，当然，水平速度有助于产生垂直速度。水平速度可能对边缘跳跃没有太大帮助——你大多只是在推开，通常是从你的肌肉中得到锻炼。

为什么这些条约如此难以执行？

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溜冰者有两件事需要同时做，这让他们很难做到：他们需要从冰上跳起来——这会给他们在高度上的垂直速度——他们需要开始快速旋转。当他们从冰上推到空中时，他们还需要对冰产生扭矩（一种旋转力），这将给它们提供旋转动量。他们需要这种旋转动力，这样当他们离开冰面时，他们可以拉到一个非常紧的位置并快速旋转。

这就像一个人在办公椅上旋转并拉起手臂以更快地旋转吗？

确切地说，这背后的实际物理学是：你正在减少你的惯性矩，这会增加你的旋转速度。

滑手需要做什么才能在跳跃过程中完成更多的旋转？

与三级跳相比，四级跳对于大多数滑冰者来说，归结为旋转速度。从理论上讲，额外的高度会有所帮助。做四边形的溜冰者通常跳得更高。

滑冰者可以旋转多少次是否有基本限制？

我绝对认为人们可以做五连跳。但是，当一个人从冰上跳下到如此高的高度时，他们所能拥有的力量和他们所能产生的力量只有这么多。就算想想【国足球探】联合总会的垂直跳跃记录，人们也不是在空中跳跃两到三米。而你只能变得如此狭窄。你受到肩膀和臀部宽度的限制——你只能根据你的具体人体测量学 [身体比例] 降低到某个最小惯性程度。

滑冰者可能会提高的另一个因素——为了做更多的旋转——将是他们下冰时的旋转动量。当他们在起飞时进行接近或步法时，他们在离开冰面时会产生围绕旋转轴的扭矩。如果它们在向上爆炸的过程中能够获得更多的旋转动量，那么它们可以在较小的身体姿势下旋转得更快。这有点像：如果你在轮胎摆动，有人用力推你，你会转得更快。所以你可以完成三件事。

滑冰者应该能够在数学上进行五次 Salchow 或脚趾循环。对我来说，quad Axel 可能是极限，因为它是 4.5 转。

在进行更多轮换时，男性滑手是否比女性滑手更有优势？

一般来说，你看到的只是男性和女性滑冰运动员之间肌肉质量的差异。显然，有重叠，女性滑冰者的顶端流入男性滑冰者。但是，如果您查看力量和力量的钟形曲线，您确实比大多数男性滑冰者拥有更大的力量和力量。大多数男性滑手的跳得比女性滑手高一点，而且他们中的大多数人很可能能够从冰面上产生更多的旋转动量。你可以（争辩说）男性滑手有一个劣势，一般来说，他们无法获得那么紧或那么小的惯性力矩。所以这对男孩来说可能更难，因为一般来说，滑冰运动员往往身材娇小。

花样滑冰有最佳年龄吗？

就女性而言，你会看到很多滑冰运动员在青春期前就开始跳跃。女性滑手在青春期时尤其困难，因为身体大小和形状的变化使您必须重新学习跳跃。它也发生在男性身上，但这可能更多是由于肌肉必须跟上生长突增不匹配的结果。

在 1998 年日本长野冬奥会上，法国花样滑冰运动员苏里亚·博纳利（Surya Bonaly）在冰上完成了令人印象深刻的后空翻，但在技术上是非法的。她是怎么做到的？

它的基本物理原理与其他跳跃相同。旋转围绕不同的轴。与大多数花样滑冰跳跃所涉及的垂直轴相反，她绕着很多人所说的翻转轴或翻滚轴旋转。当您观看体操运动员时，他们会更加专注于治疗。涉及到一些相同的原则——例如，你需要足够高，以使你的身体可以旋转[一次后空翻]。体操运动员会做双后空翻。但是你在冰上看不到三重或四重后空翻。在冰上着陆也很困难。如果你做空，这不是一个特别宽容的表面。

哎呀，我可以想象。所有这些跳跃对身体有什么影响？

我们正试图研究着陆所涉及的力量。还没有很多人这样做。可以连接到溜冰鞋上的现成定制设备并不多。我和杨百翰大学的同事为花样滑冰刀片配备了可以测量力的传感器。当我们对其进行校准时，COVID就来了。所以我们还没有真正测量过力。

我们对我们认为这些力量有多大有一些想法。大多数人会说着陆是体重的五到六倍，最多可能是体重的10到12倍。这一切都在一只脚上，也是。在同一条腿上，在非常坚硬的表面上一遍又一遍地受到很多虐待。滑冰运动员确实有很多伤病。如果你在电视上看它，它看起来是那么优雅、轻松和美丽。但是如果你在他们练习的时候走到溜冰场的边缘，你可以听到起飞和降落的声音，你很快就会对冲击力的大小有一个印象。