李永乐物理电学教学全套（物理大师花滑天才）

晓东

晓南，北京冬奥会即将到来，你最期待什么运动呢？

我好期待那个在冰上旋转、跳跃、自由起舞的花样滑冰呀！

晓南

晓东

我也很期待，但看似简单的动作实际上蕴含着很多的基本物理原理，不仅需要运动员刻苦训练，还要灵活运用技巧哦！

哇，原来花样滑冰还有这样的玄机呀!

晓南

晓东

对呀，刚好东南大学物理学院学子为大家整理了花样滑冰及有关的物理知识，让我们一起来了解一下吧！

花样滑冰

Figure Skating

花样滑冰是冰上运动项目之一。运动员通过冰刀在冰面上划出图形，并表演跳跃、旋转等高难度动作。因其中运动技巧与舞蹈音乐的有机融合，被德国著名诗人歌德赞美为“运动的诗”。

随着2022年北京冬奥会的临近，大家是否对中国健儿们的表现充满期待呢？说起冬奥会，不得不提花样滑冰这项兼具美感与动感的 “冰上芭蕾”。花样滑冰运动员们矫健的身姿迅捷而优雅，让人为之沉醉。享受之余，大家是否会好奇运动健儿们是如何完成这一系列动作的呢？本文将会带领大家揭开花样滑冰的奥秘，探索花样滑冰中的物理学原理。

首先，我们对花滑中几个重要动作模型化，对应动力学中几个重要模型：1.滑动：平动 2.跳跃：斜抛 3.旋转：转动。平动相信对于普通的滑冰爱好者没有难度，我们主要对跳跃和旋转做分析。在此之前，我们需要了解其中的基本物理学原理。

基本物理学原理

1 摩擦力

为什么花滑运动员能在冰面上高速运动呢？这都得益于较小的摩擦阻力。一方面，冰面相较于普通路面更加光滑；另一方面，装在冰鞋底下冰刀在滑动时将冰熔化成水，使冰刀与冰之间的摩擦力降得更低。这使得运动员在使用正确的蹬冰姿势时，只需要更小的力就能获得比在地面上更大的加速度。蹬冰的同时他们会逐渐将重心下移，且保持前后足重心一致，以维持稳定。当停止时他们会更加用力踩冰，利用摩擦力快速刹停。

1 动量及角动量

要描述花滑运动员的整个运动过程，动量及角动量必不可少。我们都知道动量p=m×v，角动量L=r×p。一般而言，物体的质量越大，运动速度越大，动量就越大，改变运动状态就越难。所以花滑的运动员们往往在形体上拥有令人羡慕的线条。

角动量一般用于描述转动。一般运动员们倾向于边行进边转动，我们将其中的转动分解而出，其基本原理就是角动量守恒。由角动量的决定式我们不难看出，在角动量守恒的前提下，一个运动员若是打开双臂，让使r增加，运动的速度就会减小；相反，若是收缩体态，则运动速度更高，转的圈数也就越多。

跳跃

要想完成跳跃，水平方向的运动和竖直方向的运动缺一不可。

完成空中多周跳时，运动员对冰面给出斜向下的力，使运动员离开地面，开始做斜抛运动。斜抛运动在平面上可以分解为水平运动和竖直运动。竖直方向上运动员起跳的高度由初始竖直方向的速度决定。生物力学研究表明：不同跳跃的空中停留时间和跳跃高度基本类似，而飞行距离取决于滞空时间和水平速度的大小。因此，通过加速旋转增大线速度的切向分量（水平速度）才是在空中实现多周跳的正确方法。

生物力学矫正了许多运动员曾经错误认为三周半跳要比剩下两个高。原因在于，如果要在起跳时保证跳的更高，势必需要增大与地面的夹角，保证合速度尽可能地被分解到竖直方向，从而保证高度和滞空时间。由于起跳时会产生用力向下蹬，冰面会产生比滑动时大得多的阻力，导致起跳速度相差不大。此时又有竖直方向分走了大部分速度，水平速度势必减小。而要做到三周半，就需要以尽可能合适的角速度完成，一味提高起跳高度而减小水平速度并不利于三周半跳的完成。

另外，花滑中的跳跃动作一般需要两个力完成，其一是保证平动的反冲力，第二个是保证旋转的旋转冲力。在起跳时需要注意用力方向，使得起跳时具有旋转加速度，从而更好地完成转体。

旋转

这里说的旋转主要包括两部分，一部分是跳跃动作中的周转，还有一部分是在滑动过程中的圆周。

跳跃动作中，运动员需发力从而离开地面。而一旦进入滞空阶段，就失去了外力的影响，角动量守恒。人体依赖收缩空间分布，也就是说由一开始的双臂展平到将手聚到头顶来尽量靠近转动轴，减小转动惯量，从而增大转动角速度。相反的，当运动员落地时，展开四肢，转速就会迅速降低。

根据生物力学研究结果，可以表明：运动员完成一周半、两周半和三周半的旋转速度依次增加，平均转速分别为2.9rad/s、4.3rad/s、4.9rad/s。数据表明，三周半跳的起跳角动量比一周半和两周半大，角动量越大就越容易完成三周半跳。运动员也可以运用两臂和浮足在起跳时增加角动量。

大家还想了解什么运动呢？

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供稿 | 东南大学物理学院

摄影 |韦朝洪 骆琰 郭力模

编辑 |王倩

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