2月15日，北京冬奧會單板滑雪男子大跳臺決賽中，中國隊選手蘇翊鳴以兩跳1800度高難度動作贏得金牌。而他優(yōu)美炫酷的旋轉(zhuǎn)跳躍是如何做到的？這里面也有深奧的物理學知識。
從頂端積蓄動能很關(guān)鍵
運動員的各種復(fù)雜動作歸根結(jié)底是由兩種基本運動組成的，即運動員質(zhì)心的平動和圍繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動。
蘇翊鳴在滑雪大跳臺上的完整運動過程，大約可以分為3個部分：動能積蓄階段、騰空階段和落地緩沖階段。
在動能積蓄階段，運動員從大跳臺頂端出發(fā)下降，重力勢能一大部分轉(zhuǎn)化成動能，還有一小部分消耗在雪板與雪道的摩擦，克服空氣阻力等過程中轉(zhuǎn)化成熱能。在這個過程中運動員除了起跳時的蹬地外，身體各部分具有相同的速度方向和大小，可以簡化成質(zhì)心沿斜面滑下并在對側(cè)斜面上沖的平動的過程。
2月14日，中國選手蘇翊鳴在北京冬奧會單板滑雪男子大跳臺比賽中。（新華社）
空中旋轉(zhuǎn)要承受5—10倍的重力
在騰空階段，運動員不但在進行一個質(zhì)心以起跳臺約25度仰角的“斜上拋”運動，同時還在進行兩個自由度上的旋轉(zhuǎn)動作，一是圍繞豎直軸的轉(zhuǎn)體動作，二是選手本人彎曲身體抓板等動作。蘇翊鳴從騰空到落地的時間大約都不足2秒，在2秒內(nèi)要完成5圈的旋轉(zhuǎn)。這意味著角速度達到了約5π，按運動員肩寬40厘米左右估算，手臂即便緊貼身體，旋轉(zhuǎn)半徑20厘米時，感受到的離心加速度也達到約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。當運動員旋轉(zhuǎn)半徑達到一般人打開手肘所能達到的40厘米左右時，邊緣的離心加速度達到重力加速度的10倍。普通人承受過載的極限大約在3倍重力加速度左右，飛行員能達到6-7倍，航天員的標準會再高一些。雖然運動員在高速旋轉(zhuǎn)中只是局部感受高加速度，然而此時做動作，比如打開手臂，這部分身體的“重量”會增加到原來的10倍，抬起手臂就不是一件容易的事了。
落地時速可達70公里
落地階段是通過地面滑行的摩擦阻力逐漸降低速度進行緩沖的階段。按照動量定理，同樣的動能變化，作用時間越長，相應(yīng)的作用力越小。因為跳臺滑雪騰空到落地絕對高度仍在下降，選手的質(zhì)心平動速度依然在增加，它們落地時的速度甚至能達到約70公里/小時，而此時運動員還在進行水平旋轉(zhuǎn)，如果落地時滑雪板的前進方向不準確，非常容易發(fā)生翻滾。當運動員以數(shù)十公里的時速與雪面接觸，那里的雪面可并不松軟，雖然不是正碰，仍然會產(chǎn)生巨大的沖擊力，甚至能讓運動員骨斷筋折。
在冬奧項目的競技中，運動員通過在冰雪上的飛馳、跳遠、旋轉(zhuǎn)而最終取得成功的技術(shù)動作，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國家級物理實驗教學示范中心教師、光學博士）
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