運動員在比賽中圖片來源：《科學美國人》官網
今日視點
即將在韓國平昌舉行的冬季奧運會，新增了單板滑雪大跳臺、速度滑冰及冰壺混雙等幾個新項目。而單板滑雪大跳臺可能最抓眼球，因為高達49米的世界第一高滑雪坡道，將創造驚人的新技巧，危險而壯觀的滑雪動作。
為了在這場比賽中脫穎而出，運動員必須控制自己的神經和腎上腺素，同時直觀地掌握角動量守恒、雪熱力學等物理學知識，否則，只要一個失誤，就會帶著扭傷的手腕、脚踝和膝蓋損傷回到地面、離開賽場。
空中轉體後怎麼安全落地，得向猫學習
美國堪薩斯州立大學物理學家邁克爾·奧謝說：“一些表演者可能開發新技巧，因為本次將比以往跳得更高。”奧謝寫過一本關於戶外運動中的物理學的書，他說，新項目讓運動員在空中的時間更多，他們將不得不做出調整。如果光線或能見度不好，很難看到地面正在以50英里/小時的速度向他們撲面襲來。“真希望運動員腦子裏有個計時器，可以計算自己在空中盤旋多久比較安全。”
今年的滑雪選手包括加拿大的麥克斯·派洛特和奧地利的安娜·加賽爾。他們在上個月末美國科羅拉多州舉行的冬季項目比賽中名列前茅。令人印象深刻的是，派洛特做出了5次完整的側轉體（1800°）和4次完整的正面翻滾轉體（1440°），且每次都完美地滑板觸地。
派洛特、加賽爾和其他佼佼者除了本能地操控身體進行複雜的旋轉、扭曲動作，其實還用到了角動量原理。
任何繞軸旋轉的物體，比如旋轉的陀螺，都傾向於以同樣的速度旋轉，除非某個物體擋住了它的方向，或者它自己改變了形狀。滑雪者也是如此，角動量總量基本保持不變（除了受到空氣阻力的一點點影響）的情况下，運動員在空中拉回手臂會旋轉得更快，反之，如果把手臂伸出去，就會變慢。
如果一隻貓從高處掉下來，它會扭動身體以脚著地。這個神奇的求生動作，科學家從物理學角度做了解釋：猫以腰為支點，前、後兩部分身體分別做出反方向的轉體動作。首先向後伸出後腿新增後半身的轉動慣量，同時把前腿縮在胸前，以减少前半身的轉動慣量。如此一來，在滿足運動平衡的前提下，後半身只需反方向轉動一點，前半身就可以大幅度地轉身面向地面了。隨後再伸展前肢、縮回後腿，重複以上轉動，使後半身也轉向地面。依靠對運動物理學精湛的運用，它們可以成功地四脚著地，而不是摔個四脚朝天。
加州大學天體物理學家馬爾福薩·布拉達所教的課程是運動中的物理學，除了滑雪，還包括衝浪。他說，從16層樓高的跳臺上跳下，運動員面臨的是與猫同樣的處境——如何旋轉並安全落地。“與猫不同的是，運動員的脚被綁在了雪板上。”
起飛瞬間的精准動作設計，能减少運動損傷
此外，跳躍姿態的微小差异會影響運動員的動量。比如，急劇上升的曲線會引起向後旋轉。在雪地裏，一個滑板運動員可能在起飛時得到一個意想不到的角度，從而直接影響著陸時的結果，並可能引發運動損傷。
科羅拉多礦業學院物理學家詹姆斯·麥克尼爾對冬季公園地形進行了建模，並基於此設計安全的跳躍姿勢。“這並不意味著運動員不再受傷，但起碼會降低受傷的可能性和程度。”
加州大學大衛斯分校的機械和航空工程師蒙特·哈伯德說：“滑雪板選手知道他們在做什麼，也能够在飛行中控制自己的身體，瞭解物理學知識會讓他們如虎添翼。”
大多數滑雪板跳躍時會有一個起飛點，然後是一段平穩的時間，選手們在此間表演特技，然後是降落區域，那通常是一條與地面呈40°角的斜坡。
物理學家使用“等效下降高度”的概念來量化這種情況下的潜在影響。一個從49米高空墜下的人肯定會受傷，但是，當滑雪板沿著一定角度斜坡向下滑行時，就相當於從低得多的高度下降，重力勢能被轉化為向前移動的動能。囙此，在陡坡落地更安全，膝蓋受衝擊力量也小得多。
國際滑雪聯合會競賽首長羅波爾圖·莫裏斯對媒體說：“在設計階段，我們在考慮起飛角度和著陸角度時，會仔細觀察所有的量測數據和飛行曲線。一個好的跳躍動作，會讓運動員在落地時幾乎感覺不到衝擊，這是我們的目標。”
儘管採取了所有的物理預防措施，但莫里斯對天氣狀況表示了擔憂，而這正是組織者無法控制的因素。如果天氣條件較好，那麼在起飛和降落的幾秒、十幾秒內，參賽運動員只要關注自己的動作就好了。
（科技日報北京2月5日電）