本文专家：郭光星，能源领域工程师

本文审稿：付强，中国作协、北京作协、北京科普作家协会会员，高级工程师，北京大学物理学院博士

2月10日上午，北京冬奥会花样滑冰男子单人滑自由滑项目的比赛在北京首都体育馆进行。

这场比赛可能是备受关注的一场。

曾蝉联过去两届冬奥会该项目的冠军，羽生结弦在本届冬奥会上挑战了花滑届的最高难度4A动作。

但遗憾，前2个动作都摔倒在了冰面上。最终获得188.06分，总分283.21。

这个被认为是挑战人类极限的动作，到底是什么？现在就来科普一下。

探索“冰上芭蕾”的物理学奥秘

花滑运动员为什么能在冰面上完成跳跃、旋转等高难度动作？

花样滑冰兼具美感和动感，有着“冰上芭蕾”的美称，运动员在冰面上要完成跳跃、旋转等一系列动作。

他们自身在旋转的过程中，往往会控制双臂的位置和姿势，因为转动中角动量守恒，若打开双臂，转动惯量会增加，旋转速度就会减小。反之，转动速度则会增大。

转体动作在原理上似乎并不复杂，但跳跃动作则具有一定的挑战性。运动员在起跳时需要注意用力方向，脚蹬冰面时施加一个斜向下的力，使其离开冰面做斜抛运动。这个力同时提供了斜抛运动的初速度，以及形成运动员转体角动量的力矩

但是运动员如果进入滞空阶段（身体腾空，位于半空中），所受外力力矩为零（重力作用质心），无法改变角动量。这时他们往往通过改变姿势来减小转动惯量，增大转动角速度，例如将双臂展平，将手聚到头顶等。

羽生结弦挑战的4A到底有多难？

4A的专业说法是“奥克塞尔四周跳”，公认花滑领域最难的动作，由挪威选手阿克塞尔·保尔森在1882年首次完成。

4A看似比3A要多跳一周，但实际要转四周半，而这一周半使得4A的最高点提高了整整17公分，落冰点也要增加1米多的距离。为了准备好这些必要条件，运动员在腾空前必须要将速度提高10%。

此外，A跳是一个向前跳跃的动作，在转体之前，运动员的重心不可避免地处于冰刀的外侧，如果稍不注意，冰刀极有可能发生横向打滑，危险性很大。

羽生结弦在北京冬奥会选拔赛的赛前公开训练赛上，曾首次成功完成4A，但也难以轻松驾驭。在备战北京冬奥会的训练中，他尝试了几次4A，但也没有成功。自由滑中冲击4A，第一跳羽生结弦出现了失误，摔倒在地。

“雪上杂技”的物理学较量

谷爱凌参加的便是自由式滑雪，目前获得了自由式滑雪女子大跳台冠军。

与其它滑雪项目不同，自由式滑雪的运动员可以选择尝试更多类型的动作，典型且难度较大的动作包括翻腾和旋转。

运动员起步沿着雪地出发时，便具备了一个恒定的角动量。但在腾空时，身体蜷缩起来之后降低了转动惯量，获得了更大的旋转速度，从而保证翻转更多的圈数，完成更高难度的动作。在即将落地时，为了保证落地平稳，需要展开双臂，增大转动惯量，减低翻转的速度。

所以，滑雪运动员在翻转过程中双臂的位置和姿势很重要。运动员的身体与迎面而来的气流相互作用，合适的姿势可以显著降低比赛阶段的空气阻力。

另外，装备也会影响空气阻力。外套、头盔等附加装置产生的阻力大概占总阻力的8%，外套的面积远比头盔大得多，对它进行减阻设计更为重要。根据运动员的运动速度，选择合适的织物也很重要，因为针织和机织织物的表面形态不同，在空气动力学方面的表现特征也不尽相同。

“冰上象棋”物理技巧的运用

冰壶是一种极具特色的冰雪运动，更侧重“排兵布阵”的策略，素有“冰上国际象棋”的称号。

首先，冰壶赛道本身并不是平整的，它中间凹陷两侧微微隆起，是一个U型滑道。冰壶赛道通过多次喷洒水珠，使其表面变得如鹅卵石般凹凸不平。而冰壶从离开投手的那一刻起，它与冰面之间的微小摩擦力便是改变其轨迹的唯一影响力。

刷冰可以清除路径上的少量污垢和碎屑，擦洗冰面上形成的霜冻，最重要的是可以融化少量冰。冰在压力和摩擦力的作用下融化成水，这薄薄的一层水就像是润滑油一样，让冰面的摩擦力变得非常小。刷冰不仅可以使冰壶滑行得更远，还可以调整它的前行轨迹。

其次，掷壶员在出手前会轻轻拨动冰壶的壶柄，使其绕自身发生旋转。如果逆时针旋转，那么它会在前进过程中微微向左弯曲，如果顺时针旋转，则会向右偏转。

摩擦力是同运动方向是相反的，因此旋转的冰壶不仅会受到向后的摩擦力，还受到同旋转方向相反的摩擦力。比如一个顺时针旋转的冰壶，它的前半部分就受到向左的摩擦力，而后半部分则受到向右的摩擦力。

冬奥会还在如火如荼地进行中

祝冬奥健儿们勇创佳绩

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