身体承重会增加10倍

2月14日，中国选手苏翊鸣在北京冬奥会单板滑雪男子大跳台比赛中。图片来源：新华社

2月15日，北京冬奥会单板滑雪男子大跳台决赛中，中国队选手苏翊鸣以两跳1800度高难度动作赢得金牌。而他优美炫酷的旋转跳跃是如何做到的呢？这里面也有深奥的物理学知识。

从顶端积蓄动能很关键

运动员的各种复杂动作归根结底是由两种基本运动组成的，即运动员质心的平动和围绕质心的转动。

苏翊鸣在滑雪大跳台上的完整运动过程，大约可以分为3个部分：动能积蓄阶段、腾空阶段和落地缓冲阶段。

在动能积蓄阶段，运动员从大跳台顶端出发下降，重力势能一大部分转化成动能，还有一小部分消耗在雪板与雪道的摩擦，克服空气阻力等过程中转化成热能。在这个过程中运动员除了起跳时的蹬地外，身体各部分具有相同的速度方向和大小，可以简化成质心沿斜面滑下并在对侧斜面上冲的平动的过程。

空中旋转要承受5—10倍的重力

在腾空阶段，运动员不但在进行一个质心以起跳台约25度仰角的“斜上抛”运动，同时还在进行两个自由度上的旋转动作，一是围绕竖直轴的转体动作，二是选手本人弯曲身体抓板等动作。苏翊鸣从腾空到落地的时间大约都不足2秒，在2秒内要完成5圈的旋转。这意味着角速度达到了约5π，按运动员肩宽40厘米左右估算，手臂即便紧贴身体，旋转半径20厘米时，感受到的离心加速度也达到约50米/秒2，即局部的离心加速度已经是重力加速度的5倍多。当运动员旋转半径达到一般人打开手肘所能达到的40厘米左右时，边缘的离心加速度达到重力加速度的10倍。普通人承受过载的极限大约在3倍重力加速度左右，飞行员能达到6-7倍，航天员的标准会再高一些。虽然运动员在高速旋转中只是局部感受高加速度，然而此时做动作，比如打开手臂，这部分身体的“重量”会增加到原来的10倍，抬起手臂就不是一件容易的事了。

落地时速可达70公里

落地阶段是通过地面滑行的摩擦阻力逐渐降低速度进行缓冲的阶段。按照动量定理，同样的动能变化，作用时间越长，相应的作用力越小。因为跳台滑雪腾空到落地绝对高度仍在下降，选手的质心平动速度依然在增加，它们落地时的速度甚至能达到约70公里/小时，而此时运动员还在进行水平旋转，如果落地时滑雪板的前进方向不准确，非常容易发生翻滚。当运动员以数十公里的时速与雪面接触，那里的雪面可并不松软，虽然不是正碰，仍然会产生巨大的冲击力，甚至能让运动员骨断筋折。

在冬奥项目的竞技中，运动员通过在冰雪上的飞驰、跳远、旋转而最终取得成功的技术动作，必然是符合物理基本规律的；反言之，许多选手也正是在科学的指导下，更高效率地提升了自己的技术。

                       （作者系北京交通大学国家级物理实验教学示范中心教师，光学博士）