史诗级动作：羽生结弦挑战的4A到底有多难？一秒转4圈半

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

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