本届冬奥会的花样滑冰男单自由滑比赛，今天凌晨大爆冷。哈萨克斯坦选手、21岁的米哈伊尔·沙伊多罗夫夺得金牌。
冠军米哈伊尔·沙伊多罗夫丨AP
比赛中多位名将频频失误，仿佛冰面被诅咒了一样，包括被寄予厚望的美国选手伊利亚·马里宁。即使他在前面比赛中积累了巨大的分数优势，即使是当今唯一一个在世界大赛中跳出4A（阿克塞尔四周跳）的选手，却因多项跳跃动作未完成而未获奖牌。
米哈伊尔·沙伊多罗夫三周跳接四周跳
即使没那么懂花样滑冰的复杂评分规则，我们也能在观赏高难度动作时获得心跳加速，四周跳跃就是其中之一。
这些高难度跳跃各自都有复杂的技术动作，不过它们也遵循着同一套基本的物理学规律。从力学的角度来看，花样滑冰四周跳的奇迹是怎样实现的呢？
起跳：高度和旋转的绝妙平衡
要想在空中完成多周旋转，运动员必须为自己争取足够长的空中时间，并获得足够大的旋转动力，这两点都由蹬冰起跳的动作决定。
起跳瞬间垂直向上的速度决定了跳跃高度，同时也决定了滞空时间。高水平运动员在起跳时垂直速度更大，这让他们能在空中停留更久，有时间转完更多圈数。顶尖花滑选手能达到的最大腾空时间大约在0.7秒左右[1]。
马里宁曾经成功完成的阿克塞尔四周跳，相当于在空中旋转1620度
落地技巧也会影响滞空时间。适当弯曲下肢关节，可以让身体在重心更低时才接触冰面，让空中停留时间稍微增加。这样增加的时间虽然很短，但也有机会让运动员多旋转10-20度[2]，有时可能会决定动作的成败。而高手的对决，就在细节表现之间。
增加滞空时间对完成动作有利，但运动员显然不能把所有力气都用来向上跳。在获得垂直速度的同时，运动员还必须扭转身体和四肢，在蹬冰时获得旋转的动力。在这个过程中，运动员会获得一定大小的角动量。这个物理量决定了空中旋转的潜力：角动量越大，高速旋转就越容易实现。
在起跳阶段，运动员必须让向上跳跃和旋转跳跃的力度取得最佳的平衡。
腾空：收紧身体决定成败
一旦腾空而起，运动员就无法再借助外力增加角动量，此时他们处于角动量守恒的状态。不过，在空中他们还能继续增加旋转速度，这是靠改变身体姿态实现的。
在快速旋转时，运动员总是会把手臂和双腿向内收紧，这是为了减少转动惯量。转动惯量是一个描述物体旋转惯性大小的物理量，它由物体的质量和质量的分布方式决定。
在收紧四肢时，运动员的各部分质量都很靠近旋转轴，此时转动惯量就会减小；如果向外舒展肢体，四肢质量分布在远离旋转轴的地方，转动惯量就会变大。
收紧肢体与舒展肢体时的转动惯量对比 | tdk.com
改变转动惯量可以让旋转速度（角速度）发生变化。在角动量守恒的状态下，转动惯量与角速度的乘积保持不变，因此转动惯量越小，角速度就会越大。
这是一个转动惯量影响转速的实验演示。收紧玩具球让质量分布更靠近旋转轴，因此转动惯量减小，此时玩具旋转的速度就变快了。| Physics Demos
也就是说，只要在空中尽可能收紧四肢，就能让运动员达到最快的转速，让四周跳成为可能。
虽然看起来简单，但收紧姿势实际做起来却很辛苦。如果在放松状态下旋转，人的手臂很容易受惯性影响向外甩。而这又会改变质量分布，导致转动惯量增加，拖慢旋转速度。
为了避免这一点，运动员就必须绷紧肌肉，施加向心力“拉住”手臂。圆周运动的向心力大小与角速度平方成正比，所以一旦旋转变快，“拉住”手臂所需的力就会增加。
旋转中保持手臂收紧其实很辛苦，因此花滑运动员也需要强大的上肢力量。从图中的模型演示可以看出，如果手臂收紧不足，旋转速度就会明显变慢。 | Jim Richards
在旋转结束落地时，运动员又会迅速伸展双臂和自由腿。这样一来，转动惯量大幅增加，角速度随之减小，运动员就更容易停止旋转并进行接下来的动作。
在旋转结束落地时，运动员总会迅速伸展肢体，这也是在依靠转动惯量控制转速。 | NSF/Science360/NBC Learn
还能转更多吗？
目前，高水平的男性选手和少数女性选手可以在花滑比赛中完成四周跳。随着训练技术改进，转圈数还有可能继续增加吗？
在比赛中完成过四周跳动作的女性运动员目前还比较少，俄罗斯选手亚历山德拉·特鲁索娃是其中之一 | Wikipedia
专注于花样滑冰的生物力学研究者黛博拉·金（Deborah King）指出，从理论计算来看，完成旋转五周的后内结环跳或者后外点冰跳是有可能的[3]，而更高的旋转圈数应该无法实现。
就算理论上有可能，真正实现五周跳也会非常困难。现在，运动员主要依靠收紧身体减少转动惯量来提高转速。顶尖运动员已经很好地掌握了这一技巧，这意味着靠继续收紧来提速的空间已经很小了。
因此，要想转更多圈，就需要更强有力的起跳：要么增加滞空时间，要么增加初始角动量。这些都需要强大的肌肉力量才能支撑。
然而，增加肌肉对花滑运动又有不利影响。肌肉量增大意味着运动员的身体容易变得更宽、更重——这又会增加人体转动惯量的最小值，让运动员即使收紧身体也没法转得很快。这种矛盾让旋转周数的提升变得很难。
比起健壮的运动员，我们更常看到纤细娇小的花滑选手。窄体型和小体重都有利于减少转动惯量，让人更容易旋转。| 图虫创意
当然，现在的技术动作已经让花滑运动员承受了相当大的身体压力和受伤风险，继续挑战极限或许也不是明智的决定。
参考文献
[1] https://www.ithaca.edu/news/first-figure-skating
[2] King DL. Performing triple and quadruple figure skating jumps: implications for training. Can J Appl Physiol. 2005 Dec;30(6):743-53. doi: 10.1139/h05-153. PMID: 16485524.
[3] https://www.scientificamerican.com/article/how-olympic-figure-skaters-break-records-with-physics/
[4] https://www.smithsonianmag.com/science-nature/how-physics-keeps-figure-skaters-gracefully-aloft-180968051/
[5] https://www.popsci.com/science/quadruple-axel-figure-skating-impossible/
[6] https://www.earwolf.com/episode/can-figure-skaters-defy-gravity-with-dr-deborah-king/
作者：窗敲雨
编辑：luna
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