審核專家：孟夢

中國科學(xué)院物理研究所副研究員

在今天結(jié)束的北京冬奧會單板滑雪男子坡面障礙技巧決賽中，我國選手蘇翊鳴摘得銀牌，拿下了中國代表隊本屆比賽首枚雪上項目的獎牌，也為中國隊創(chuàng)造了該項目歷史最好成績！

單板滑雪是利用單板從雪坡上滑降，在空中或雪上進(jìn)行表演的一項運(yùn)動，小項包括坡面障礙技巧、平行大回轉(zhuǎn)、U型場地技巧、大跳臺等。

在比賽中，我們經(jīng)?？吹竭\(yùn)動員們腳踏滑雪板，借助坡面或U型雪道騰空而起，做出各種高難度動作的場面。那么，運(yùn)動員們是如何讓自己在雪道上越跳越高的呢？

要想從理論層面解釋如果像運(yùn)動員一樣“絲滑”地騰空，我們首先要了解一個略顯復(fù)雜的概念——力矩。

什么是力矩？

讓我們先來回憶一個可能已經(jīng)想不起來的概念——杠桿。在義務(wù)教育的初中階段，我們就學(xué)習(xí)過“杠桿”的概念，力矩在當(dāng)時也曾經(jīng)提及。

力矩的公式為力矩=力×力臂，即M=r×F，但此處并不是簡單的乘積，而是矢量叉乘（讓我在此進(jìn)行億點(diǎn)點(diǎn)解釋）。

這是一個空間上的概念，即力要在空間上與力臂存在夾角，就像蹺蹺板，力臂是蹺蹺板的板面，你不能為了讓蹺蹺板運(yùn)動而順著蹺蹺板使勁（此時M=0），一定要向下或向上施力，即與板面存在夾角（M≠0）才能使其運(yùn)動起來。

簡單來說，轉(zhuǎn)動的物體均受到力矩的作用。

專業(yè)來講，我們設(shè)r為作用點(diǎn)到轉(zhuǎn)動軸的距離，也叫力臂，而F是轉(zhuǎn)動所施加的力，將F矢量分解后可以得知：真正起轉(zhuǎn)動作用是垂直于r的分力Fy。

對應(yīng)過來，我們運(yùn)動員在滑道上的姿態(tài)也是傾斜的，并在隨時調(diào)整身體傾角達(dá)到改變重心位置的目的，從而使力臂的角度盡可能與重力垂直，產(chǎn)生更有效果的力矩，起到最好的轉(zhuǎn)動效果。

角動量守恒又是什么？

讓我們一步步撥開它的心，在了解角動量之前我們先要了解什么是動量。動量（P）表示為物體的質(zhì)量（m）和速度（v）的乘積，即P=mv，是與物體的質(zhì)量和速度相關(guān)的物理量。

而角動量（L）則可以簡單理解為物體的動量（P）和力臂（r）的乘積，即：L=r×P。為了方便理解，我們可先簡單認(rèn)為角動量與物體質(zhì)量與轉(zhuǎn)動速度有關(guān)。

角動量守恒指在運(yùn)動過程角動量不發(fā)生變化，剛才我們用蹺蹺板解釋了力矩的作用，那么現(xiàn)在用同樣的例子再說明一下角動量的作用。

我們把動量的表達(dá)式P=mv帶入角動量的公式后得到L=r×mv，從公式可以看到，當(dāng)角動量守恒即L不變時，轉(zhuǎn)動半徑也就是力臂r減小，會直接導(dǎo)致速度v增大。

再來表演個雜技活躍一下氣氛：

是不是看起來特別簡單，感覺勇敢點(diǎn)多練幾次就行？實(shí)際上，這就是角動量守恒的體現(xiàn)。一個完美的空翻需要分兩步進(jìn)行，第一步是像二踢腳一樣向上躍起；第二步要做的是當(dāng)高度達(dá)到頂點(diǎn)時及時軀體抱膝并旋轉(zhuǎn)。

如果你沒有好好地抱住自己，使自身的力矩變化不大，從而并未增大自身旋轉(zhuǎn)速度，可能就會像下面一樣出現(xiàn)意外：

同樣，我們可以用秋千的例子說明角動量守恒，來類比解釋單板滑雪運(yùn)動的動作。

來源丨網(wǎng)絡(luò)蕩秋千的過程可視為通過規(guī)律地站立和蹲下改變自身重心，使秋千越蕩越高。
當(dāng)秋千蕩到最高處時，人由接近直立的狀態(tài)下蹲，從而降低重心，這一動作使秋千擺動過程的力臂r變長，當(dāng)人擺至最低點(diǎn)時會獲得有更大的動量和速度；在最低點(diǎn)時，人由下蹲狀態(tài)轉(zhuǎn)為站立，此時相對于擺動軸而言轉(zhuǎn)動半徑變小了，由于角動量守恒L=r×mv，人的動量和速度會增加，更利于擺動到更高的高度，照此規(guī)律反復(fù)操作可以使得秋千越擺越高，直至由于摩擦損耗等因素而停止這個過程。

單板滑雪時，運(yùn)動員在下滑過程中會盡量下蹲降低自身重心，上升過程中抬高重心，略觀察后我們就能發(fā)現(xiàn)，在U型彎中的每次起落時都遵循這個規(guī)律，使運(yùn)動員能在下滑到坡道最低點(diǎn)時獲得更大的速度，上滑時就可以飛得更高。

我想要越飛越高

不僅僅是運(yùn)動，我們生活中時刻伴隨著各種能量間的轉(zhuǎn)化，我們要牢記能量的轉(zhuǎn)化最終一定是守恒的，不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失。

機(jī)械能是物體運(yùn)動過程中最直觀的能量表現(xiàn)形式，它包含動能（Ek）與勢能（Ep），是二者的總和。運(yùn)動員滑雪的過程中可以認(rèn)為是動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化。重力勢能直接與高度呈正比，而動能與速度大小呈正相關(guān)。

例如，運(yùn)動員在U型場地需要先從一側(cè)較高的位置躍起滑下，再從另一側(cè)滑出飛上高空。這其中高度先降低，由重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，再從低處上升，動能又轉(zhuǎn)化為重力勢能，如果僅為這兩種同屬于機(jī)械能的能量之間相互轉(zhuǎn)化，那么上升的最高點(diǎn)應(yīng)該與剛下落時的重力勢能相等，也就是高度相同并且每次都保持不變，但因?yàn)閱伟迮c雪場地面存在的摩擦阻力、風(fēng)阻等原因會使運(yùn)動員的機(jī)械能損耗，所以如果不做任何操作，運(yùn)動員在另一側(cè)的騰空高度一定會逐漸降低。

事實(shí)上，運(yùn)動員的騰空高度不但不會降低，反而可以越來越高。原因在于，運(yùn)動員在滑行過程中的站立、蹲起過程中，自身做功增加了整個系統(tǒng)的勢能，從而可以使得最終重力勢能增大，與之相關(guān)的高度變高。我們身體的能量是有限的，但是運(yùn)動員通過自身的刻苦鍛煉可以通過增強(qiáng)自身素質(zhì)，突破自我極限來延長運(yùn)動距離。

現(xiàn)在，你知道運(yùn)動員完美動作背后的科學(xué)依據(jù)了嗎？說了這么多，就是想要告訴大家一個道理：任何你沒注意的小事，背后都有其科學(xué)原理。請時刻對科學(xué)心懷一顆敬畏之心。

否則……