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史诗级动作:羽生结弦挑战的4A到底有多难?一秒转4圈半

2022-02-10 16:44:02  来源:科普中国

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,降低翻转的速度。

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

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

关键词: IT 与体育 史诗级动作:羽生结弦挑战的4A到底有多难?一

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