北京冬奧會花樣滑冰男子單人滑自由滑項目的比賽在北京首都體育館進行。這場比賽可能是備受關注的一場。曾蟬聯過去兩屆冬奧會該項目的冠軍，羽生結弦在本屆冬奧會上挑戰了花滑界的最高難度4A動作。

但遺憾，前2個動作都摔倒在了冰面上。最終獲得188.06分，總分283.21。

這個被認為是挑戰人類極限的動作，到底是什麼？現在就來科普一下。

探索“冰上芭蕾”的物理學奧秘

花滑運動員為什麼能在冰面上完成跳躍、旋轉等高難度動作？

花樣滑冰兼具美感和動感，有著“冰上芭蕾”的美稱，運動員在冰面上要完成跳躍、旋轉等一系列動作。

他們自身在旋轉的過程中，往往會控制雙臂的位置和姿勢，因為轉動中角動量守恆，若打開雙臂，轉動慣量會增加，旋轉速度就會減小。反之，轉動速度則會增大。

轉體動作在原理上似乎並不復雜，但跳躍動作則具有一定的挑戰性。運動員在起跳時需要注意用力方向，腳蹬冰面時施加一個斜向下的力，使其離開冰面做斜拋運動。這個力同時提供了斜拋運動的初速度，以及形成運動員轉體角動量的力矩

但是運動員如果進入滯空階段（身體騰空，位於半空中），所受外力力矩為零（重力作用質心），無法改變角動量。這時他們往往通過改變姿勢來減小轉動慣量，增大轉動角速度，例如將雙臂展平，將手聚到頭頂等。

羽生結弦挑戰的4A到底有多難？

4A的專業說法是“奧克塞爾四周跳”，公認花滑領域最難的動作，由挪威選手阿克塞爾·保爾森在1882年首次完成。

4A看似比3A要多跳一周，但實際要轉四周半，而這一周半使得4A的最高點提高了整整17公分，落冰點也要增加1米多的距離。為了準備好這些必要條件，運動員在騰空前必須要將速度提高10%。

此外，A跳是一個向前跳躍的動作，在轉體之前，運動員的重心不可避免地處於冰刀的外側，如果稍不注意，冰刀極有可能發生橫向打滑，危險性很大。

羽生結弦在北京冬奧會選拔賽的賽前公開訓練賽上，曾首次成功完成4A，但也難以輕鬆駕馭。在備戰北京冬奧會的訓練中，他嘗試了幾次4A，但也沒有成功。自由滑中衝擊4A，第一跳羽生結弦出現了失誤，摔倒在地。

“雪上雜技”的物理學較量

谷愛凌參加的便是自由式滑雪，目前獲得了自由式滑雪女子大跳台冠軍。

與其它滑雪項目不同，自由式滑雪的運動員可以選擇嘗試更多類型的動作，典型且難度較大的動作包括翻騰和旋轉。

運動員起步沿著雪地出發時，便具備了一個恆定的角動量。但在騰空時，身體蜷縮起來之後降低了轉動慣量，獲得了更大的旋轉速度，從而保證翻轉更多的圈數，完成更高難度的動作。在即將落地時，為了保證落地平穩，需要展開雙臂，增大轉動慣量，降低翻轉的速度。

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，裝備也會影響空氣阻力。外套、頭盔等附加裝置產生的阻力大概佔總阻力的8%，外套的面積遠比頭盔大得多，對它進行減阻設計更為重要。根據運動員的運動速度，選擇合適的織物也很重要，因為針織和機織織物的表面形態不同，在空氣動力學方面的表現特徵也不盡相同。

“冰上象棋”物理技巧的運用

冰壺是一種極具特色的冰雪運動，更側重“排兵布陣”的策略，素有“冰上國際象棋”的稱號。

首先，冰壺賽道本身並不是平整的，它中間凹陷兩側微微隆起，是一個U型滑道。冰壺賽道通過多次噴灑水珠，使其表面變得如鵝卵石般凹凸不平。而冰壺從離開投手的那一刻起，它與冰面之間的微小摩擦力便是改變其軌蹟的唯一影響力。

刷冰可以清除路徑上的少量污垢和碎屑，擦洗冰面上形成的霜凍，最重要的是可以融化少量冰。冰在壓力和摩擦力的作用下融化成水，這薄薄的一層水就像是潤滑油一樣，讓冰面的摩擦力變得非常小。刷冰不僅可以使冰壺滑行得更遠，還可以調整它的前行軌跡。

其次，擲壺員在出手前會輕輕撥動冰壺的壺柄，使其繞自身發生旋轉。如果逆時針旋轉，那麼它會在前進過程中微微向左彎曲，如果順時針旋轉，則會向右偏轉。

摩擦力是同運動方向是相反的，因此旋轉的冰壺不僅會受到向後的摩擦力，還受到同旋轉方向相反的摩擦力。比如一個順時針旋轉的冰壺，它的前半部分就受到向左的摩擦力，而後半部分則受到向右的摩擦力。

冬奧會還在如火如荼地進行中

祝冬奧健兒們勇創佳績

本文專家：郭光星，能源領域工程師

本文審稿：付強，中國作協、北京作協、北京科普作家協會會員，高級工程師，北京大學物理學院博士