花样滑冰运动员冰鞋的细节图。图片来源：Wikipedia
如今，花样滑冰运动员所表现出的运动能力在几十年前几乎是无法想象的。在刚刚结束的北京冬奥会上，美国花样滑冰运动员陈巍凭借包含四周跳和阿克塞尔三周跳的短节目和自由滑的表演夺得金牌，只有15岁的俄罗斯奥委会运动员卡米拉·瓦利耶娃成为第一个在奥运会混合团体比赛中完成四周跳的女子运动员。完整的四周跳动作包含从冰面起跳，在空中旋转四圈，然后单脚落地。如此高难度动作需要精湛的力量、速度和优雅的体态相结合，不过其背后的物理学原理却是很简单的。
在花样滑冰中，跳跃共分为六种，区别在于运动员从冰刀的哪一部分跳起（据此分为点冰跳与刀刃跳）以及在空中旋转的周数。点冰跳包括后外点冰跳（toeloopjumps）、后内点冰跳（flipjumps）和勾手跳（lutzjumps）。刀刃跳包括后外结环跳（loopjumps）、后内结环跳（Salchowjumps）和前外跳（即阿克塞尔跳，Axeljumps）。
后内结环四周跳（quadSalchows）和后外点冰四周跳（quadtoeloops）在男子比赛中已经是很常见的动作了，大多数顶级运动员都会去做这些动作，而一些女运动员也会在奥运会以外的比赛中或日常练习中完成这些动作。阿克塞尔四周跳被公认为是最具挑战性的动作，因为它需要向前起跳并在空中转体四周半。尽管来自日本的羽生结弦等运动员曾尝试过这个动作，但迄今为止还没有人曾在比赛中成功完成这个动作。不过专家们要乐观得多，一些专家认为理论上五周跳也是有可能做到的。
羽生结弦在比赛中。图片来源：Wikipedia
伊萨卡学院（IthacaCollege）运动科学与训练专业的教授DeborahKing致力于研究花样滑冰中的物理学。《科学美国人》采访了她，了解了花样滑冰运动员如何完成这些灵巧的跳跃、这项运动的物理极限以及如今的奥林匹克健儿怎样突破这些极限。
[下面是经过编辑的采访记录]。
您是怎样走上研究花样滑冰之路的？
我在马萨诸塞大学阿默斯特分校（UniversityofMassachusettsAmherst）获得了运动科学硕士学位，不过除了研究竞技运动方向的生物力学之外，我并不知道自己还想做什么工作。当时在科罗拉多州科罗拉多斯普林斯市的奥林匹克训练中心有一个运动科学与技术部门的职位空缺。这个中心有一个花样滑冰训练营，那里的一位教练对研究阿克塞尔三周跳背后的生物力学非常感兴趣。因此，我便开始了我在花样滑冰生物力学方面的研究工作。这项工作真的很棒。在此之前，我对花样滑冰没有任何了解。
您能解释一下花样滑冰运动中主要的跳跃动作背后的物理学知识吗？
除去不同选手独有的滑冰技术，这些跳跃动作背后都有着共同的物理学原理。单纯从力学的角度来看，花样滑冰运动员必须要在空中停留足够长的时间，以完成他们所要转的周数。为了获得足够的腾空时间，运动员就需要足够的跳跃高度，而这又取决于他们起跳时能获得多少垂直速度。对于点冰跳和刀刃跳两类动作，运动员为获得垂直速度所做的动作花样是不同的。
点冰跳主要用脚尖起跳，而刀刃跳则通过腿和手臂动作来获得起跳时的垂直速度。而水平速度在点冰跳中尤其重要，可帮助运动员做出更多类似撑杆跳中的动作。额外的水平速度可以帮助运动员在腿上储存更多的能量。运动员在水平方向直线运动的状态下起跳，然后便可以通过旋转下肢将水平方向的能量向垂直方向转换，即获得了切向速度。因此，水平速度可以帮助运动员产生垂直速度，进而提高跳跃高度。而对于刀刃跳来说，运动员是将自己蹬离冰面，这主要是靠肌肉力量，水平速度可能就没什么帮助了。
为什么这些跳跃动作如此难以完成？
运动员需要在从冰上起跳的同时高速旋转身体，这两件事放在一起便大大提高了完成难度。当他们脚踏冰面准备腾空时，他们需要对冰面产生一定的扭矩，从而获得一定的角动量，这样他们才能够在离开冰面后进一步通过收紧身体来快速旋转。
这是否就像一个人在办公椅上旋转时，把手臂缩回来会旋转得更快？
没错，就是这样，用物理学解释就是：在角动量守恒时，当转动惯量减小，转速将会加快。
花样滑冰运动员通过收紧身体来加快旋转速度。图片来源：Wikipedia
花样滑冰运动员需要怎样做才能完成更多周数的旋转？
对于大多数运动员来说，更多周数的旋转要归结于更快的旋转速度。理论上，更高的跳跃高度也会有帮助，比如一个做四周跳的运动员通常要比做其他动作的运动员有更高的跳跃高度。
一名运动员能够做到的旋转周数是否有一个上限？
我非常相信未来会有运动员完成五周跳。但是，一个人起跳时能够拥有的力量毕竟是有限的，达到的高度自然也是有限的。即使考虑美国国家橄榄球联盟新秀训练营（NationalFootballLeagueScoutingCombine）的垂直跳跃纪录，一个人也不会跳到两三米那么高。此外，一个人收紧身体的程度也是有限的，这取决于肩膀和臀部的宽度，因此转动惯量的最小值是与个人身体比例紧密相关的。
运动员的另一个突破口是起跳时的角动量。当将要起跳时，他们会用力蹬冰来获得角动量。如果运动员能在起跳蹬冰时获得更多的角动量，他们就能旋转得更快。这就好比：你在玩轮胎秋千时如果有人用力推你一把，你就会旋转得更快。因此，转速由三方面因素共同影响（垂直高度、身体宽度与角动量）。
根据理论计算，运动员应该能做出后内结环五周跳（quintSalchows）或后外点冰五周跳（quinttoeloops）。而我认为阿克塞尔四周跳可能就是极限了，因为它实际要转四周半。
男性运动员比女性运动员更易于做出旋转更多周数的动作吗？
一般来说，人们看到的只是男性和女性运动员之间肌肉量的差异。固然，顶尖的女性运动员在肌肉量上丝毫不输给男性运动员，但如果考虑力量呈正态分布的两个整体，我们就不难发现大多数男性运动员的力量和功率会更大。因此，大多数男性运动员会比女性运动员跳得更高一些，他们中的大多数人会在起跳时产生更多角动量。当然，男性运动员也有一个缺点，由于身材的限制，他们一般不能将身体收得那么紧。花样滑冰运动员往往都是很娇小的，这对男性运动员来说可能是个难题。
花样滑冰有最佳运动年龄吗？
对于女性而言，很多运动员在青春期前就开始了她们的运动生涯。当她们进入青春期时，情况可能会很困难，因为身高体重以及体型的变化使得运动员不得不重新学习跳跃动作。当然这种情况也会发生在男性运动员身上，但他们主要面对的是快速增长的肌肉力量与体型的矛盾。
在年日本长野冬奥会上，法国花样滑冰运动员苏里亚·博纳利完成了一个令人印象深刻且规则不允许的后空翻动作。她是怎样做到的？
这和其他跳跃的基本物理原理是一样的，只不过与大多数花样滑冰跳跃绕垂直轴旋转不同，后空翻是绕水平轴旋转的。如果我们观察体操运动员，会发现他们会做更多的空翻动作。二者其实遵循同样的一些原则，例如要有足够高的高度使身体完成后空翻等。体操运动员可以做到两周后空翻，但在冰面上是不可能出现三周甚至四周后空翻的，因为在冰上落地是很困难的，一旦动作完成得不够成功，冰面可不会给运动员缓冲的机会。
我已经能想象到那个画面了。那么这些跳跃动作对身体会有什么冲击？
我们正在研究运动员在落地时的受力情况。目前还没什么人研究过这个问题，因为还没有现成的可以连接到滑冰鞋上的设备。我和杨百翰大学（BrighamYoungUniversity）的同事在刀刃上安装了用以测量力的传感器。正当我们在对它进行校准时新冠肺炎疫情就到来了，所以我们目前还没有实际测量过受力。
我们对这个力的大小有一些预估。大多数人都认为落地时的受力是自重的5到6倍，最高甚至可能达到10到12倍，而且是用一只脚承担。这是对同一条腿在坚硬的冰面上一次又一次的严酷考验，所以花样滑冰运动员很容易受伤。如果你只是在电视上看花样滑冰，那你可能认为它是如此的优雅柔美。但如果你来到场边，你就能听到他们起跳和落地的声音，我相信你很快就会明白冲击力有多大了。
撰文：TanyaLewis，《科学美国人》杂志的高级编辑，负责健康和医学领域的报道。
翻译：胡明哲
审校：韩佳桐
引进来源：科学美国人
本文来自：中国数字科技馆