溜冰运动员的动作物理分析（花滑选手的转速变化）

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一名花样滑冰选手在冰面上翩翩起舞，

其中一个动作是直立旋转，

只见她伸开双臂，

以单脚点地飞速旋转，

随着双臂逐渐收回，她转得越来越快，

当双臂伸开时，旋转速度又开始下降了。

为什么双臂伸缩会影响花滑选手的转速呢？一些科普材料把其中原因归为“转动惯量”，那么，到底是不是转动惯量造成的转速变化呢？小编接下来就把这件事掰开揉碎说一下。

先来说说转动惯量是咋回事

大家可能都知道，惯性是有质量物体的固有属性，它影响到物体是否容易“动起来”或“停下来”。质量越大的物体，要动起来或停下来就越困难。

那么转动惯量呢，它影响一个物体是否容易“转起来”或“停止转动”，和物体的质量分布有关，对于两个总质量相同的物体，质量分布越靠外，转动惯量越大，转起来或停下来就越难，反过来，质量分布越靠里，转动惯量越小，转起来或停下来越容易。

中国科技馆里有一件关于转动惯量的展品，它上面有两个一模一样的滑道，还有若干带配重的滚轮，拿两个形状、配重数量都一样但是配重分布不同的滚轮放在滑道顶端，同时放下，让它们俩沿滑道滚动，会发现配重靠里的滚轮比靠外的滚轮滚得更快。

展品“转动惯量”

乍一看，这不就跟花滑选手的例子一样吗？手臂伸开，一部分质量靠外了，转得就慢；手臂缩起来，这部分质量靠里了，转得就快。

且慢，如果这样理解，就误解了转动惯量的效果。请注意，它不是影响物体转得快不快，而是影响物体是否容易“转起来”或“停下来”。换句话说，它影响的不是速度，而是加速度。

其实，这件展品和花滑选手有一个很大区别，展品中的滚轮是在重力作用下沿滑道加速滚动的，而花滑选手是没有借助外力，凭空加速和减速的，所以二者截然不同。

影响花滑选手转速的真正原因是什么呢？

答案其实是“角动量守恒”！

可能有的读者会说，你别逗了，我知道中国科技馆有关于角动量守恒的展品，人坐在椅子上，转动一个横放的大陀螺，然后把陀螺立起来，人就会跟椅子一起，往陀螺转动相反的方向转过去。这跟花滑选手快慢变化有啥关系啊？

展品“角动量守恒——陀螺转椅”

这属于只知其一，不知其二。角动量是一个重要的物理量，它是矢量，也就是说，它既有大小也有方向，上面提到的那件展品，展示的是角动量的方向守恒，没提大小的事。而花滑选手旋转的例子，要用角动量大小方面的守恒来解释。

我们说花滑选手的转速快慢，说的是她一定时间内转了多少圈，换句话说，是“角速度”。根据角动量计算公式，一个物体的角动量不变时，它的角速度和半径的平方是成反比的。选手的手臂伸开，半径大了，角速度就要下降。反过来，手臂缩回去，半径变小，角速度就跟着上升了。

感兴趣的读者，可以请朋友帮忙做这样一个实验：坐在一个可以灵活转动的椅子上，手持两个哑铃，请朋友帮忙把椅子转起来，看是不是握着哑铃伸开胳膊时转得慢，收起胳膊时转得快。不过实验时一定要注意安全啊。

中国科学技术馆展览教育中心 李博供稿