北京冬奧會單板滑雪男子大跳臺決賽中,中國隊選手蘇翊鳴以兩跳1800度高難度動作贏得金牌。而他優美炫酷的旋轉跳躍是如何做到的呢?這里面也有深奧的物理學知識。
從頂端積蓄動能很關鍵
運動員的各種復雜動作歸根結底是由兩種基本運動組成的,即運動員質心的平動和圍繞質心的轉動。
蘇翊鳴在滑雪大跳臺上的完整運動過程,大約可以分為3個部分:動能積蓄階段、騰空階段和落地緩沖階段。
在動能積蓄階段,運動員從大跳臺頂端出發下降,重力勢能一大部分轉化成動能,還有一小部分消耗在雪板與雪道的摩擦,克服空氣阻力等過程中轉化成熱能。在這個過程中運動員除了起跳時的蹬地外,身體各部分具有相同的速度方向和大小,可以簡化成質心沿斜面滑下并在對側斜面上沖的平動的過程。
空中旋轉要承受5—10倍的重力
在騰空階段,運動員不但在進行一個質心以起跳臺約25度仰角的“斜上拋”運動,同時還在進行兩個自由度上的旋轉動作,一是圍繞豎直軸的轉體動作,二是選手本人彎曲身體抓板等動作。蘇翊鳴從騰空到落地的時間大約都不足2秒,在2秒內要完成5圈的旋轉。這意味著角速度達到了約5π,按運動員肩寬40厘米左右估算,手臂即便緊貼身體,旋轉半徑20厘米時,感受到的離心加速度也達到約50米/秒2,即局部的離心加速度已經是重力加速度的5倍多。當運動員旋轉半徑達到一般人打開手肘所能達到的40厘米左右時,邊緣的離心加速度達到重力加速度的10倍。普通人承受過載的極限大約在3倍重力加速度左右,飛行員能達到6-7倍,航天員的標準會再高一些。雖然運動員在高速旋轉中只是局部感受高加速度,然而此時做動作,比如打開手臂,這部分身體的“重量”會增加到原來的10倍,抬起手臂就不是一件容易的事了。
落地時速可達70公里
落地階段是通過地面滑行的摩擦阻力逐漸降低速度進行緩沖的階段。按照動量定理,同樣的動能變化,作用時間越長,相應的作用力越小。因為跳臺滑雪騰空到落地絕對高度仍在下降,選手的質心平動速度依然在增加,它們落地時的速度甚至能達到約70公里/小時,而此時運動員還在進行水平旋轉,如果落地時滑雪板的前進方向不準確,非常容易發生翻滾。當運動員以數十公里的時速與雪面接觸,那里的雪面可并不松軟,雖然不是正碰,仍然會產生巨大的沖擊力,甚至能讓運動員骨斷筋折。
在冬奧項目的競技中,運動員通過在冰雪上的飛馳、跳遠、旋轉而最終取得成功的技術動作,必然是符合物理基本規律的;反言之,許多選手也正是在科學的指導下,更高效率地提升了自己的技術。(陳征)