今天的花樣滑冰運動員正在展現幾十年前還無法想象的驚人運動能力。在上週北京冬奧會上，美國滑冰運動員陳巍摘得金牌，他的短節目和自由滑表演充滿了四周跳和三週半跳。15歲的俄羅斯滑冰運動員卡米拉·瓦利耶娃成為在奧運會混合性別團體賽中完成四周跳（實際上是兩個）的第一位女性。（據新聞報道，瓦利耶娃被檢測出違禁物質，心臟藥物曲美他嗪.）四周跳，或稱四周，包括從冰面起跳，在空中完成至少四圈旋轉，然後單腳落地。這樣的成就需要精湛的力量、速度和優雅——但其背後的物理原理相當簡單。*
花樣滑冰大約有六種跳躍型別。它們的區別在於從冰刀的哪個部分起跳（前部，也稱為“刀齒”，或內刃或外刃）以及在空中旋轉的圈數（一週跳、兩週跳、三週跳或四周跳）。刀齒跳包括後外結環跳、後內點冰跳和後外點冰跳。刃跳包括後外環跳、薩霍夫跳和阿克塞爾跳。
四周跳——包括薩霍夫四周跳和後外點冰四周跳——在男子比賽中已經很常見（大多數頂尖男選手都會做），並且許多女性已經在奧運會以外的比賽或訓練中完成了四周跳。阿克塞爾四周跳通常被認為是最具挑戰性的跳躍，因為它需要向前起跳並在空中旋轉四周半。迄今為止，任何性別的選手都未能在比賽中成功完成阿克塞爾四周跳，儘管像日本的羽生結弦這樣的滑冰運動員已經嘗試過。一些專家認為，五週跳——即五週旋轉跳——在理論上是可行的。
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黛博拉·金是伊薩卡學院運動科學和運動訓練教授，她研究花樣滑冰的物理學。《大眾科學》與她談論了滑冰運動員如何完成這些敏捷的壯舉、這項運動的身體界限以及今天的奧運選手如何擴充套件這些界限。
[以下是採訪的編輯稿。]
您是如何開始研究花樣滑冰的？
我在馬薩諸塞大學阿默斯特分校攻讀運動科學碩士學位，除了運動和鍛鍊中的生物力學之外，我真的不知道在那之後我想從事什麼職業。科羅拉多州科羅拉多斯普林斯奧林匹克訓練中心的體育科學和技術部門有一個職位空缺。我在那裡的時候，有一個花樣滑冰訓練營。其中一位教練對研究三週半跳的生物力學非常感興趣。這幾乎開啟了我對花樣滑冰生物力學的研究——這是一個非常酷的專案。在此之前，我沒有任何花樣滑冰的經驗。
您能解釋一下主要跳躍型別背後的物理原理嗎？
無論使一個跳躍與其他跳躍不同的花樣滑冰技術是什麼，所有跳躍都有一些基本的物理原理是共通的。從純粹的力學角度來看，毫無疑問，滑冰運動員必須在空中停留足夠長的時間才能完成他們想要做的旋轉圈數。為了獲得跳躍的空中停留時間，這與跳躍高度有關——而這幾乎與他們從冰面跳起時能夠獲得的垂直速度有關。根據是刀齒跳還是刃跳，他們為獲得垂直速度而做的運動模式會有所不同。
對於刀齒跳，您有點像利用刀齒進行撐杆跳以彈出。而刃跳，更像是您伸展腿，也許稍微用一下手臂來獲得一些垂直速度。特別是對於刀齒跳，您擁有的水平速度可以用於做更像撐杆跳的運動。在這種情況下，額外的水平速度可能有助於在您的腿中儲存更多能量。您以這種線性動量進入，但是當您在腿上旋轉時，水平運動實際上現在被稍微垂直地重定向了。這被稱為切向速度。因此，當然，水平速度可能有助於產生垂直速度。水平速度可能對刃跳沒有太大幫助——您主要只是推離地面，並且通常是從肌肉中獲得力量。
為什麼這些跳躍如此難以完成？
滑冰運動員需要同時做兩件事，這使得它非常困難：他們需要從冰面彈起——這將給他們垂直速度以獲得高度——並且他們需要開始快速旋轉。當他們從冰面壓起向上跳躍時，他們還需要在冰面上產生扭矩[一種旋轉力]，這將給他們旋轉動量。他們需要旋轉動量，以便當他們離開冰面時，他們可以收緊身體並快速旋轉。
這就像在辦公室轉椅上旋轉並將手臂收進來以更快地旋轉一樣嗎？
完全正確，這背後的實際物理原理是：您正在減小您的轉動慣量，這會增加您的轉速。
滑冰運動員需要做什麼才能在跳躍過程中完成更多旋轉？
與三週跳相比，對於大多數滑冰運動員來說，做四周跳的關鍵在於轉速。從理論角度來看，額外的高度會有所幫助。做四周跳的滑冰運動員通常跳得更高。
滑冰運動員可以完成的旋轉次數是否存在基本限制？
我絕對認為人們可以做五週跳。但是一個人在從冰面跳起以獲得如此高度時，所能擁有的力量和所能產生的力量是有限的。即使您想到[美國國家橄欖球聯盟球探]聯合會的垂直跳躍記錄，人們也不會跳到兩到三米的高度。而且您只能變得如此狹窄。您受到肩膀和臀部寬度的限制——根據您的具體人體測量[身體比例]，您只能達到一定的最小轉動慣量。
滑冰運動員可能可以提高的另一個因素——為了做更多旋轉——將是他們離開冰面時的旋轉動量。當他們進行滑行或步法進入起跳時，他們在圍繞旋轉軸產生扭矩，因為他們從冰面推起。如果他們能夠在仍在向上爆發時獲得更多旋轉動量，那麼他們就可以以那個小的身體姿勢更快地旋轉。這有點像：如果您在輪胎鞦韆上，有人更用力地推您，您將旋轉得更快。所以有三件事您可以嘗試。
滑冰運動員在數學上應該能夠完成薩霍夫五週跳或後外點冰五週跳。對我來說，阿克塞爾四周跳可能是極限，因為它是 4.5 周旋轉。
在完成更多旋轉方面，男滑冰運動員比女滑冰運動員更有優勢嗎？
總的來說，您看到的只是男滑冰運動員和女滑冰運動員之間肌肉質量的差異。顯然，存在重疊，頂尖的女滑冰運動員會流入男滑冰運動員的行列。但是，如果您檢視力量和爆發力的鐘形曲線，大多數男滑冰運動員的力量和爆發力確實更強。大多數男滑冰運動員比女滑冰運動員跳得略高，而且他們中的大多數人可能能夠產生更大的離冰旋轉動量。您可以[爭辯說男滑冰運動員]處於劣勢，因為總的來說，他們無法獲得像女性運動員那樣緊湊或小的轉動慣量。因此，對於男性來說可能會更難，因為總的來說，滑冰運動員往往身材嬌小。
花樣滑冰是否存在最佳年齡？
就女性而言，您會看到許多滑冰運動員在青春期前就掌握了跳躍。對於女滑冰運動員來說，當她們經歷青春期時，可能會特別困難，因為身體尺寸和形狀的變化使她們不得不重新學習跳躍。這種情況也發生在男性身上，但這可能更多是由於生長突增不匹配造成的，因為肌肉必須跟上。
在1998年日本長野冬季奧運會上，法國花樣滑冰運動員蘇里婭·博納莉在冰面上表演了一個令人印象深刻且技術上非法的後空翻。她是怎樣做到的？
它與其它跳躍的基本物理原理大致相同。旋轉是關於不同的軸。與大多數花樣滑冰跳躍中涉及的垂直軸相反，她圍繞著許多人稱之為翻轉軸或翻滾軸的軸旋轉。當您觀看體操運動員時，他們更像是頭朝下翻滾。涉及到一些相同的原理——例如，您需要足夠高才能讓您的身體翻轉過來[完成一個後空翻]。體操運動員會做，比如，後空翻兩週。但是您看不到在冰面上完成三週或四周後空翻。在冰上著陸也很困難。如果您高度不夠，冰面並不是一個特別寬容的表面。
哎喲，我可以想象。所有這些跳躍對身體有什麼影響——字面意義上的影響？
我們正在嘗試研究著陸中涉及的力。還沒有很多人做過這項研究。沒有很多現成的裝置可以連線到冰刀上。我在楊百翰大學的同事和我用感測器對花樣滑冰刀片進行了儀器化，這些感測器可以測量力。當我們校準好它時，新冠疫情爆發了。所以我們實際上還沒有測量力。
我們對我們認為力有多大有一些想法。大多數人會說，著陸時的力量在體重的五到六倍之間，最高可能達到體重的 10 到 12 倍。而且這一切都發生在一隻腳上。這對同一條腿，在非常堅硬的表面上，一次又一次地造成了很大的損害。滑冰運動員確實有很多傷病。如果您在電視上觀看，它看起來如此優雅、輕鬆和美麗。但是，如果您在他們練習時走到冰場邊緣，您就可以聽到起跳和著陸的聲音，並且您很快就會對沖擊力的大小留下深刻的印象。
*編者注（2022年2月14日）：此段在釋出後進行了更新，刪除了對奧林匹克運動會對卡米拉·瓦利耶娃曲美他嗪陽性檢測做出過時回應的引用。