體操比賽中，運動員在空中做出的空翻和轉(zhuǎn)體動作，驚險又好看。這些旋轉(zhuǎn)動作背后，是哪些因素在共同發(fā)揮作用？

2024年7月21日，國家體育總局體育科學(xué)研究所運動訓(xùn)練研究中心副研究員、國家體操隊科研團(tuán)隊負(fù)責(zé)人何衛(wèi)在科普中國星空講壇“科學(xué)之眼看奧運”主題場帶來演講《旋轉(zhuǎn)的奧秘——體操背后的科學(xué)》。

以下是何衛(wèi)的演講節(jié)選：

我是何衛(wèi)，來自國家體育總局體育科學(xué)研究所，是國家體操隊的科研團(tuán)隊負(fù)責(zé)人。

體操是大家喜聞樂見的奧運項目。我想原因之一是項目好看，驚險、刺激。另一方面，體操也是一個大項，有14枚金牌之多；而且體操是我國的傳統(tǒng)優(yōu)勢項目，我們在奧運會上取得過輝煌的成績，比如在上一屆東京奧運會，中國體操隊取得了3金3銀2銅的好成績。

1953年，我國才正式開展體操項目，即現(xiàn)代體操運動，至今已經(jīng)走過了70多個年頭。截至2023年10月，中國體操隊一共在奧運會、世錦賽、世界杯三個大賽上，奪得了157枚金牌。這個過程中，也涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的運動員，如大家熟悉的體操王子李寧、高低杠公主何可欣和五冠王鄒凱等。此外我們也誕生了52個以中國體操運動員命名的動作，像：楊威跳，李小鵬跳、李小鵬掛等。

體操比賽都有哪些項目？

實際上，體操是一系列項目的統(tǒng)稱。除了我們在奧運會上看到的競技體操、蹦床、藝術(shù)體操，其實還有很多項目，如單跳、技巧、健美操、跑酷，包括現(xiàn)在推廣比較好的少兒拉拉操等，都屬于體操這個大類，不過這些屬于非奧項目。

競技體操，通常習(xí)慣簡稱“體操”，包括男子自由體操、鞍馬、吊環(huán)、跳馬、雙杠、單杠6個項目，簡稱“自鞍吊跳雙單”，女子項目有跳馬、高低杠、平衡木、自由操4個單項，簡稱“跳高平自”。這個項目的簡稱順序，也是比賽的順序。在團(tuán)體比賽或者個人比賽時，大多數(shù)時候，男子運動員就是按照“自鞍吊跳雙單”的順序進(jìn)行比賽。

體操屬于技巧類項目，每一個單項都有其獨特的魅力和技術(shù)要求。像跳馬，運動員需要在不超過25米的助跑距離上，完成助跑、上板、起跳、第一騰空、撐馬、第二騰空、落地等等這一連串動作。

體操項目各有特點，不過也有一個共同點，就是都有旋轉(zhuǎn)動作。運動員完成的旋轉(zhuǎn)主要有兩個類型，一個是空翻，一個是轉(zhuǎn)體。

空翻是指圍繞著人體的橫軸去旋轉(zhuǎn)，它包括一周的空翻、兩周的空翻，現(xiàn)在最多有三周的空翻。轉(zhuǎn)體主要是圍著人體的縱軸來旋轉(zhuǎn)，有180度轉(zhuǎn)半圈、360度一圈，最多有四周的轉(zhuǎn)體即1440度。

轉(zhuǎn)體動作

那么，影響旋轉(zhuǎn)的因素有哪些？

旋轉(zhuǎn)的影響因素之一：身體素質(zhì)

首先是身體素質(zhì)。體操，也被稱為“運動之父”。因為體操項目歷史悠久，它是最早進(jìn)入奧運會的項目之一。另外，練習(xí)體操能夠提升我們的身體力量、速度、柔韌、協(xié)調(diào)、平衡、靈敏等，能夠全面鍛煉我們的身體素質(zhì)。

反過來說，只有具備非常綜合全面的身體素質(zhì)，才能成為一個優(yōu)秀的體操運動員。因為作為體操運動員，無論在什么器械上去完成這些高難度的空翻動作，都需要強大的腿部力量、背腹肌力量、腳踝的力量以及上肢的力量，同時，還需要有極高的身體協(xié)調(diào)性和心理素質(zhì)。

體操的動作編排，一般會把大難度的動作放在前面，因為這個時候運動員的體能是最充沛的，隨著比賽的進(jìn)行，體能會逐漸下降，所以要在開始時就盡量把自己最高難度的動作展現(xiàn)出來。

旋轉(zhuǎn)的影響因素之二：力學(xué)因素

第二個因素就是力學(xué)因素。體操運動的空翻和轉(zhuǎn)體，與運動員的助跑、起跳、騰空時間有著非常直接的關(guān)系。特別是起跳，在平常訓(xùn)練中，教練看運動員做的起跳動作，就能判斷出他這個動作能不能完成以及完成的質(zhì)量。

要深入研究這些運動形式的本質(zhì)，那就必須考慮力學(xué)因素，用運動受力去研究。體操動作里面有平動有轉(zhuǎn)動，平動比如助跑，而空翻和轉(zhuǎn)體這些屬于轉(zhuǎn)動，涉及到力矩、角速度、轉(zhuǎn)動慣量、角動量守恒等概念。

力矩是作用力促使物體繞著轉(zhuǎn)動軸或支點轉(zhuǎn)動的趨向，也就是作用力使物體產(chǎn)生“轉(zhuǎn)”“扭”或“彎”效應(yīng)的量度；角速度是在描述物體轉(zhuǎn)動時，表示單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)過多少角度；角動量守恒是人體在空中運動時，或者人體離開地面，離開器械以后，身體不受任何外力矩的影響，只受重力時，保證身體的角動量能夠保持不變。

這里重點介紹一下轉(zhuǎn)動慣量，因為轉(zhuǎn)動慣量跟旋轉(zhuǎn)有直接關(guān)系。人或物體運動時都有慣性，慣性大小與物體或人體的質(zhì)量有關(guān)系。在轉(zhuǎn)動里面，同樣有一個運動員容不容易轉(zhuǎn)起來的物理概念，這就可以用轉(zhuǎn)動慣量去解釋。轉(zhuǎn)動慣量與物體的質(zhì)量分布以及旋轉(zhuǎn)軸的位置有關(guān)。

那么轉(zhuǎn)動慣量在體操項目里是如何體現(xiàn)的？

簡單來說，就是當(dāng)人體起跳或者離開器械進(jìn)入到空中時，這時是處于角動量守恒狀態(tài)，如果此時運動員身體舒張，角動量的轉(zhuǎn)動慣量就會變大，人體的轉(zhuǎn)動速度就會變??；反過來，如果此時運動員做的是緊緊抱住自己的一個緊身動作時，角動量的轉(zhuǎn)動慣量勢必變小，角速度變大，轉(zhuǎn)得越快。

看體操比賽時，我們可以看到，運動員在做轉(zhuǎn)體動作時，基本上都處于一個全身收緊的狀態(tài)，還有在做團(tuán)身動作時，身體是蜷縮起來的，這個時候也是轉(zhuǎn)動慣量變小，轉(zhuǎn)動速度增加。當(dāng)運動員在一定時間內(nèi)，完成更多周數(shù)旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)動慣量就會變大，從而讓轉(zhuǎn)動速度變慢。

旋轉(zhuǎn)的影響因素之三：體操器械

第三個影響因素是體操器械。競技體操中，所有的運動項目都是需要在器械上完成，除了訓(xùn)練和比賽使用的標(biāo)準(zhǔn)器械外，我們還有其他的落地墊、保護(hù)墊、護(hù)掌以及訓(xùn)練輔助器材等。運動員只有熟練地運用器械、利用器械，才能完成各種高難度的動作。

隨著體操訓(xùn)練和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為了滿足運動員展現(xiàn)更復(fù)雜、更優(yōu)美的難度動作，同時降低損傷的風(fēng)險，減小運動員的心理恐懼，體操器械的樣式、高度、材質(zhì)等也在一直不斷地改進(jìn)。而器械的發(fā)展，特別是一些先進(jìn)彈性材料的使用，也為體操規(guī)則的發(fā)展，體操動作的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

特別典型的是自由操彈簧地板的出現(xiàn)、跳馬踏板高度以及支撐馬面的面積增加，為一大批高難度空翻動作提供了可能性。高低杠兩杠之間的間距增加，為女子運動員在杠上的大部分動作提供了長足的發(fā)展，女子運動員可以做出毫不遜色于男子運動員的動作。還有單杠也改進(jìn)了材質(zhì)和固定方式，推動了眾多飛行動作的發(fā)展，并且運動員可以在比賽中完成直體后空翻兩周轉(zhuǎn)體720，這是一個非常大的難度動作。

旋轉(zhuǎn)的影響因素之四：體操服裝

最后還有一個影響因素就是體操服裝。女子體操運動員的服裝是統(tǒng)一的，基本上一整場比賽都是穿同一件服裝，而男子運動員在自由操和跳馬的項目中，可以穿短褲，并且可以光腳。

這是為什么呢？

因為自由操和跳馬，主要是依靠運動員下肢爆發(fā)力來完成，穿短褲更有利于運動員完成發(fā)力和做動作，并且在團(tuán)身時可以更牢固地抱腿，更容易完成動作。至于其他項目，主要依靠上肢完成，穿長褲能更好體現(xiàn)運動員的健美形體，以及動作的飄逸和美感。

在體操比賽中，我們能看到很多精彩的畫面，大多數(shù)也都是運動員成功完成動作的畫面。

但其實，在體操運動中，空翻和轉(zhuǎn)體也有很大的風(fēng)險，這些絢麗的動作背后，都是運動員冒著巨大的風(fēng)險去完成的。根據(jù)我們團(tuán)隊的研究，對于跳馬和自由操大難度的空翻落地，當(dāng)人體落地時，地面的反作用力沖擊大概是人體體重的15倍，這對運動員的下肢是一個巨大的沖擊，如果起跳不佳、轉(zhuǎn)體不正、離杠時機(jī)不對，都可能帶來非常非常嚴(yán)重的后果。

所以說，在競技體操的賽場上，每一份成功的背后都付出了巨大的努力，并且承擔(dān)了極大的風(fēng)險。

在這里跟大家分享一個小故事。你或許曾看到過“李小雙死亡一跳”這樣一則新聞，這是怎么回事呢？

在1992年巴塞羅那奧運會的時候，其他國家參賽隊比完，但我們中國隊在體操項目中還沒有金牌入賬，這個壓力就落到了我們參加單項決賽的運動員身上。

在李小雙上場之前，當(dāng)時日本選手已經(jīng)完成了一個非常高質(zhì)量動作，獲得了9.787分的高分。這就意味著，李小雙要得到9.8分的成績，才能奪得冠軍。在這種情況下，他決定用上自己平常在訓(xùn)練里面，一個成功過也失敗過的動作，叫團(tuán)身后空翻三周。

要強調(diào)的是，這個動作放在現(xiàn)在也很少有運動員去做，因為它的難度太大了。當(dāng)時李小雙在訓(xùn)練中其實出現(xiàn)過失敗，甚至嚴(yán)重到要把他送到醫(yī)院去搶救。在這樣一個時刻，中國體操隊員展現(xiàn)了自己的拼搏精神，去完成這樣一個高難度動作。最后李小雙完成的質(zhì)量非常高，以9.925分的成績奪得了中國隊在巴塞羅那奧運會唯一一塊體操項目金牌。

來源：科普中國

責(zé)編：邱訪蓉

一審：黃帝子

二審：姚瑤

三審：王明輝