体赛中，运动员在空中做出的空翻和转体动作，惊险又好看。这些旋转动作背后，是哪些因素在共同发挥作用？
2024 年 7 月 21 日，国家体育总局体育科学研究所运动训练研究中心副研究员、国家体操队科研团队负责人何卫在科普中国星空讲坛“科学之眼看奥运”主题场带来演讲《旋转的奥秘——体操背后的科学》。
体操是大家喜闻乐见的奥运项目。我想原因之一是项目好看，惊险、刺激。另一方面，体操也是一个大项，有 14 枚金牌之多；而且体操是我国的传统优势项目，我们在奥运会上取得过辉煌的成绩，比如在上一届东京奥运会，中国体操队取得了 3 金 3 银 2 铜的好成绩。
1953 年，我国才正式开展体操项目，即现代体操运动，至今已经走过了 70 多个年头。截至 2023 年 10 月，中国体操队一共在奥运会、世锦赛、世界杯三个大赛上，夺得了 157 枚金牌。这个过程中，也涌现出了一批优秀的运动员，如大家熟悉的体操王子李宁、高低杠公主何可欣和五冠王邹凯等。此外我们也诞生了 52 个以中国体操运动员命名的动作，像：杨威跳，跳、挂等。
实际上，体操是一系列项目的统称。除了我们在奥运会上看到的竞技体操、蹦床、艺术体操，其实还有很多项目，如单跳、技巧、健美操、跑酷，包括现在推广比较好的少儿拉拉操等，都属于体操这个大类，不过这些属于非奥项目。
竞技体操，通常习惯简称“体操”，包括男子自由体操、鞍马、吊环、跳马、双杠、单杠 6 个项目，简称“自鞍吊跳双单”，女子项目有跳马、高低杠、平衡木、自由操 4 个单项，简称“跳高平自”。这个项目的简称顺序，也是比赛的顺序。在团体比赛或者个人比赛时，大多数时候，男子运动员就是按照“自鞍吊跳双单”的顺序进行比赛。
体操属于技巧类项目，每一个单项都有其独特的魅力和技术要求。像跳马，运动员需要在不超过 25 米的助跑距离上，完成助跑、上板、起跳、第一腾空、撑马、第二腾空、落地等等这一连串动作。
体操项目各有特点，不过也有一个共同点，就是都有旋转动作。运动员完成的旋转主要有两个类型，一个是空翻，一个是转体。
空翻是指围绕着的横轴去旋转，它包括一周的空翻、两周的空翻，现在最多有三周的空翻。转体主要是围着的纵轴来旋转，有 180 度转半圈、360 度一圈，最多有四周的转体即 1440 度。
首先是身体素质。体操，也被称为“运动之父”。因为体操项目历史悠久，它是最早进入奥运会的项目之一。另外，练习体操能够提升我们的身体力量、速度、柔韧、协调、平衡、灵敏等，能够全面锻炼我们的身体素质。
反过来说，只有具备非常综合全面的身体素质，才能成为一个优秀的体操运动员。因为作为体操运动员，无论在什么器械上去完成这些高难度的空翻动作，都需要强大的腿部力量、背腹肌力量、脚踝的力量以及上肢的力量，同时，还需要有极高的身体协调性和心理素质。
体操的动作编排，一般会把大难度的动作放在前面，因为这个时候运动员的体能是最充沛的，随着比赛的进行，体能会逐渐下降，所以要在开始时就尽量把自己最高难度的动作展现出来。
第二个因素就是力学因素。体操运动的空翻和转体，与运动员的助跑、起跳、腾空时间有着非常直接的关系。特别是起跳，在平常训练中，教练看运动员做的起跳动作，就能判断出他这个动作能不能完成以及完成的质量。
要深入研究这些运动形式的本质，那就必须考虑力学因素，用运动受力去研究。体操动作里面有平动有转动，平动比如助跑，而空翻和转体这些属于转动，涉及到力矩、角速度、转动惯量、角动量守恒等概念。
力矩是作用力促使物体绕着转动轴或支点转动的趋向，也就是作用力使物体产生“转”“扭”或“弯”效应的量度；角速度是在描述物体转动时，表示单位时间内转过多少角度；角动量守恒是在空中运动时，或者离开地面，离开器械以后，身体不受任何外力矩的影响，只受重力时，保证身体的角动量能够保持不变。
这里重点介绍一下转动惯量，因为转动惯量跟旋转有直接关系。人或物体运动时都有惯性，惯性大小与物体或的质量有关系。在转动里面，同样有一个运动员容不容易转起来的物理概念，这就可以用转动惯量去解释。转动惯量与物体的质量分布以及旋转轴的位置有关。
简单来说，就是当起跳或者离开器械进入到空中时，这时是处于角动量守恒状态，如果此时运动员身体舒张，角动量的转动惯量就会变大，的转动速度就会变小；反过来，如果此时运动员做的是紧紧抱住自己的一个紧身动作时，角动量的转动惯量势必变小，角速度变大，转得越快。
看体赛时，我们可以看到，运动员在做转体动作时，基本上都处于一个全身收紧的状态，还有在做团身动作时，身体是蜷缩起来的，这个时候也是转动惯量变小，转动速度增加。当运动员在一定时间内，完成更多周数旋转时，转动惯量就会变大，从而让转动速度变慢。
第三个影响因素是体操器械。竞技体操中，所有的运动项目都是需要在器械上完成，除了训练和比赛使用的标准器械外，我们还有其他的落地垫、保护垫、护掌以及训练辅助器材等。运动员只有熟练地运用器械、利用器械，才能完成各种高难度的动作。
随着体操训练和科学技术的不断发展，为了满足运动员展现更复杂、更优美的难度动作，同时降低损伤的风险，减小运动员的心理恐惧，体操器械的样式、高度、材质等也在一直不断地改进。而器械的发展，特别是一些先进弹性材料的使用，也为体操规则的发展，体操动作的发展奠定了基础。
特别典型的是自由操弹簧地板的出现、跳马踏板高度以及支撑马面的面积增加，为一大批高难度空翻动作提供了可能性。高低杠两杠之间的间距增加，为女子运动员在杠上的大部分动作提供了长足的发展，女子运动员可以做出毫不逊色于男子运动员的动作。还有单杠也改进了材质和固定方式，推动了众多飞行动作的发展，并且运动员可以在比赛中完成直体后空翻两周转体720，这是一个非常大的难度动作。
最后还有一个影响因素就是体操服装。女子体操运动员的服装是统一的，基本上一整场比赛都是穿同一件服装，而男子运动员在自由操和跳马的项目中，可以穿短裤，并且可以光脚。
因为自由操和跳马，主要是依靠运动员下肢爆发力来完成，穿短裤更有利于运动员完成发力和做动作，并且在团身时可以更牢固地抱腿，更容易完成动作。至于其他项目，主要依靠上肢完成，穿长裤能更好体现运动员的健美形体，以及动作的飘逸和美感。
但其实，在体操运动中，空翻和转体也有很大的风险，这些绚丽的动作背后，都是运动员冒着巨大的风险去完成的。根据我们团队的研究，对于跳马和自由操大难度的空翻落地，当落地时，地面的反作用力冲击大概是体重的 15 倍，这对运动员的下肢是一个巨大的冲击，如果起跳不佳、转体不正、离杠时机不对，都可能带来非常非常严重的后果。
在 1992 年巴塞罗那奥运会的时候，其他国家参赛队比完，但我们中国队在体操项目中还没有金牌入账，这个压力就落到了我们参加单项决赛的运动员身上。
在李小双上场之前，当时日本选手已经完成了一个非常高质量动作，获得了 9.787 分的高分。这就意味着，李小双要得到 9.8 分的成绩，才能夺得冠军。在这种情况下，他决定用上自己平常在训练里面，一个成功过也失败过的动作，叫团身后空翻三周。
要强调的是，这个动作放在现在也很少有运动员去做，因为它的难度太大了。当时李小双在训练中其实出现过失败，甚至严重到要把他送到医院去抢救。在这样一个时刻，中国体操队员展现了自己的拼搏精神，去完成这样一个高难度动作。最后李小双完成的质量非常高，以 9.925 分的成绩夺得了中国队在巴塞罗那奥运会唯一一块体操项目金牌。
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