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

2024年7月21日，國(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練研究中心副研究員、國(guó)家體操隊(duì)科研團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人何衛(wèi)在科普中國(guó)星空講壇“科學(xué)之眼看奧運(yùn)”主題場(chǎng)帶來(lái)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(lái)自國(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所，是國(guó)家體操隊(duì)的科研團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。

體操是大家喜聞樂(lè)見(jiàn)的奧運(yùn)項(xiàng)目。我想原因之一是項(xiàng)目好看，驚險(xiǎn)、刺激。另一方面，體操也是一個(gè)大項(xiàng)，有14枚金牌之多；而且體操是我國(guó)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目，我們?cè)趭W運(yùn)會(huì)上取得過(guò)輝煌的成績(jī)，比如在上一屆東京奧運(yùn)會(huì)，中國(guó)體操隊(duì)取得了3金3銀2銅的好成績(jī)。

1953年，我國(guó)才正式開(kāi)展體操項(xiàng)目，即現(xiàn)代體操運(yùn)動(dòng)，至今已經(jīng)走過(guò)了70多個(gè)年頭。截至2023年10月，中國(guó)體操隊(duì)一共在奧運(yùn)會(huì)、世錦賽、世界杯三個(gè)大賽上，奪得了157枚金牌。這個(gè)過(guò)程中，也涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)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(gè)以中國(guó)體操運(yùn)動(dòng)員命名的動(dòng)作，像：楊威跳，李小鵬跳、李小鵬掛等。

體操比賽都有哪些項(xiàng)目？

實(shí)際上，體操是一系列項(xiàng)目的統(tǒng)稱。除了我們?cè)趭W運(yùn)會(huì)上看到的競(jìng)技體操、蹦床、藝術(shù)體操，其實(shí)還有很多項(xiàng)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(gè)大類，不過(guò)這些屬于非奧項(xiàng)目。

競(jìng)技體操，通常習(xí)慣簡(jiǎn)稱“體操”，包括男子自由體操、鞍馬、吊環(huán)、跳馬、雙杠、單杠6個(gè)項(xiàng)目，簡(jiǎn)稱“自鞍吊跳雙單”，女子項(xiàng)目有跳馬、高低杠、平衡木、自由操4個(gè)單項(xiàng)，簡(jiǎn)稱“跳高平自”。這個(gè)項(xiàng)目的簡(jiǎn)稱順序，也是比賽的順序。在團(tuán)體比賽或者個(gè)人比賽時(shí)，大多數(shù)時(shí)候，男子運(yùn)動(dòng)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(xiàng)目，每一個(gè)單項(xiàng)都有其獨(dú)特的魅力和技術(shù)要求。像跳馬，運(yùn)動(dòng)員需要在不超過(guò)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(dòng)作。

體操項(xiàng)目各有特點(diǎn)，不過(guò)也有一個(gè)共同點(diǎn)，就是都有旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)員完成的旋轉(zhuǎn)主要有兩個(gè)類型，一個(gè)是空翻，一個(gè)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(lái)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(dòng)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(yùn)動(dòng)之父”。因?yàn)轶w操項(xiàng)目歷史悠久，它是最早進(jìn)入奧運(yùn)會(huì)的項(xiàng)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(guò)來(lái)說(shuō)，只有具備非常綜合全面的身體素質(zhì)，才能成為一個(gè)優(yōu)秀的體操運(yùn)動(dòng)員。因?yàn)樽鳛轶w操運(yùn)動(dòng)員，無(wú)論在什么器械上去完成這些高難度的空翻動(dòng)作，都需要強(qiáng)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(shí)，還需要有極高的身體協(xié)調(diào)性和心理素質(zhì)。

體操的動(dòng)作編排，一般會(huì)把大難度的動(dòng)作放在前面，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候運(yùn)動(dòng)員的體能是最充沛的，隨著比賽的進(jìn)行，體能會(huì)逐漸下降，所以要在開(kāi)始時(shí)就盡量把自己最高難度的動(dòng)作展現(xiàn)出來(lái)。

旋轉(zhuǎn)的影響因素之二：力學(xué)因素

第二個(gè)因素就是力學(xué)因素。體操運(yùn)動(dòng)的空翻和轉(zhuǎn)體，與運(yùn)動(dòng)員的助跑、起跳、騰空時(shí)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(yùn)動(dòng)員做的起跳動(dòng)作，就能判斷出他這個(gè)動(dòng)作能不能完成以及完成的質(zhì)量。

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

力矩是作用力促使物體繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸或支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)時(shí)，表示單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)多少角度；角動(dòng)量守恒是人體在空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，或者人體離開(kāi)地面，離開(kāi)器械以后，身體不受任何外力矩的影響，只受重力時(shí)，保證身體的角動(dòng)量能夠保持不變。

這里重點(diǎn)介紹一下轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)慣量跟旋轉(zhuǎn)有直接關(guān)系。人或物體運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)里面，同樣有一個(gè)運(yùn)動(dòng)員容不容易轉(zhuǎn)起來(lái)的物理概念，這就可以用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量去解釋。轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量在體操項(xiàng)目里是如何體現(xiàn)的？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是當(dāng)人體起跳或者離開(kāi)器械進(jìn)入到空中時(shí)，這時(shí)是處于角動(dòng)量守恒狀態(tài)，如果此時(shí)運(yùn)動(dòng)員身體舒張，角動(dòng)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就會(huì)變大，人體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度就會(huì)變??；反過(guò)來(lái)，如果此時(shí)運(yùn)動(dòng)員做的是緊緊抱住自己的一個(gè)緊身動(dòng)作時(shí)，角動(dòng)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量勢(shì)必變小，角速度變大，轉(zhuǎn)得越快。

看體操比賽時(shí)，我們可以看到，運(yùn)動(dòng)員在做轉(zhuǎn)體動(dòng)作時(shí)，基本上都處于一個(gè)全身收緊的狀態(tài)，還有在做團(tuán)身動(dòng)作時(shí)，身體是蜷縮起來(lái)的，這個(gè)時(shí)候也是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變小，轉(zhuǎn)動(dòng)速度增加。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員在一定時(shí)間內(nèi)，完成更多周數(shù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就會(huì)變大，從而讓轉(zhuǎn)動(dòng)速度變慢。

旋轉(zhuǎn)的影響因素之三：體操器械

第三個(gè)影響因素是體操器械。競(jìng)技體操中，所有的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)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(yùn)動(dòng)員只有熟練地運(yùn)用器械、利用器械，才能完成各種高難度的動(dòng)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(yùn)動(dòng)員展現(xiàn)更復(fù)雜、更優(yōu)美的難度動(dòng)作，同時(shí)降低損傷的風(fēng)險(xiǎn)，減小運(yùn)動(dòng)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(dòng)作的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

特別典型的是自由操?gòu)椈傻匕宓某霈F(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(dòng)作提供了可能性。高低杠兩杠之間的間距增加，為女子運(yùn)動(dòng)員在杠上的大部分動(dòng)作提供了長(zhǎng)足的發(fā)展，女子運(yùn)動(dòng)員可以做出毫不遜色于男子運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作。還有單杠也改進(jìn)了材質(zhì)和固定方式，推動(dòng)了眾多飛行動(dòng)作的發(fā)展，并且運(yùn)動(dòng)員可以在比賽中完成直體后空翻兩周轉(zhuǎn)體720，這是一個(gè)非常大的難度動(dòng)作。

旋轉(zhuǎn)的影響因素之四：體操服裝

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

這是為什么呢？

因?yàn)樽杂刹俸吞R，主要是依靠運(yùn)動(dòng)員下肢爆發(fā)力來(lái)完成，穿短褲更有利于運(yùn)動(dòng)員完成發(fā)力和做動(dòng)作，并且在團(tuán)身時(shí)可以更牢固地抱腿，更容易完成動(dòng)作。至于其他項(xiàng)目，主要依靠上肢完成，穿長(zhǎng)褲能更好體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員的健美形體，以及動(dòng)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(yùn)動(dòng)員成功完成動(dòng)作的畫面。

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

所以說(shuō)，在競(jìng)技體操的賽場(chǎng)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(xiǎn)。

在這里跟大家分享一個(gè)小故事。你或許曾看到過(guò)“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(yùn)會(huì)的時(shí)候，其他國(guó)家參賽隊(duì)比完，但我們中國(guó)隊(duì)在體操項(xiàng)目中還沒(méi)有金牌入賬，這個(gè)壓力就落到了我們參加單項(xiàng)決賽的運(yùn)動(dòng)員身上。

在李小雙上場(chǎng)之前，當(dāng)時(shí)日本選手已經(jīng)完成了一個(gè)非常高質(zhì)量動(dòng)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(jī)，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(gè)成功過(guò)也失敗過(guò)的動(dòng)作，叫團(tuán)身后空翻三周。

要強(qiáng)調(diào)的是，這個(gè)動(dòng)作放在現(xiàn)在也很少有運(yùn)動(dòng)員去做，因?yàn)樗碾y度太大了。當(dāng)時(shí)李小雙在訓(xùn)練中其實(shí)出現(xiàn)過(guò)失敗，甚至嚴(yán)重到要把他送到醫(yī)院去搶救。在這樣一個(gè)時(shí)刻，中國(guó)體操隊(duì)員展現(xiàn)了自己的拼搏精神，去完成這樣一個(gè)高難度動(dòng)作。最后李小雙完成的質(zhì)量非常高，以9.925分的成績(jī)奪得了中國(guó)隊(duì)在巴塞羅那奧運(yùn)會(huì)唯一一塊體操項(xiàng)目金牌。

來(lái)源：科普中國(guó)

責(zé)編：邱訪蓉

一審：黃帝子

二審：姚瑤

三審：王明輝