巴黎奧運會｜男團失金，女團無緣獎牌！深剖競技體操背后的科學與挑戰(zhàn)——
7月30日凌晨結束的巴黎奧運體操男團決賽，
中國隊以0.532分之差不敵日本隊，
獲得銀牌。
而體操女隊方面，
在7月31日巴黎奧運會
競技體操女子團體決賽中，
中國隊以162.131分的
總成績獲得第六名。
體操作為一項歷史悠久且充滿挑戰(zhàn)的運動，雖然兩項賽事中國運動員未能拿到理想成績讓人十分遺憾，但是競技體育的不確定性和挑戰(zhàn)性在此體現(xiàn)。體操運動員們在賽場上的每一次飛躍，每一次旋轉，都不僅僅是技術的展示，更是對力學原理的深刻理解和應用。
體操運動項目的特征
競技體操，通常簡稱“體操”，男子項目包括自由體操、鞍馬、吊環(huán)、跳馬、雙杠、單杠 6 個單項，簡稱“自鞍吊跳雙單”；女子項目包括跳馬、高低杠、平衡木、自由操 4 個單項，簡稱“跳高平自”。體操是我國的傳統(tǒng)優(yōu)勢項目，誕生了許多以中國體操運動員命名的動作，如楊威跳，李小鵬跳、李小鵬掛等。
體操追求力、難、穩(wěn)、新、美，其特點是動作難度大、技術復雜，具有一定的驚險性，同時也有很強的觀賞性。比賽中最引人注目的就是各種高難度的空翻、轉體以及在器械上飛來飛去的動作等。這些精彩的體操動作中，也蘊含了豐富的物理學知識。
整體上來說，體操屬于技巧類項目，每個單項都有其獨特的魅力和技巧要求。自由操項目中，運動員需要在規(guī)定的時間內完成一系列連續(xù)且流暢的動作，這既考驗他們的身體控制能力，也考驗他們的創(chuàng)意和表現(xiàn)力。鞍馬不能有靜力性動作，必須流暢地連續(xù)完成；但吊環(huán)項目要求必須有靜力性動作，而且需要保持2秒。跳馬只需要完成一個動作（單項比賽需要兩跳）；而其他項目要求運動員完成一套動作。此外，有些項目有時間要求，超時會扣分。
體操運動中的旋轉
在體操項目里，除了與器械一同完成的旋轉，比如鞍馬的全旋，單杠、高低杠項目中的大回環(huán)等，體操運動員自身旋轉的主要類型是空翻和轉體。空翻是繞著人體的橫軸旋轉，有一周、兩周、三周的空翻。轉體主要是繞著人體的縱軸旋轉，如180°、360°，最大轉體周數(shù)可達1440°。
體操項目中，有些動作只是單純的空翻或者單純的轉體，但更多是空翻和轉體同時完成的動作。此外，兩周及以上空翻加轉體的復合軸旋轉稱為“旋”空翻。
空翻和轉體動作的難度
經(jīng)常觀看體操比賽的觀眾可能知道，體操最終得分主要由難度分（D分）和完成分（E分）組成。難度分是體操運動員競技實力的體現(xiàn)，完成分是運動員完成動作質量的體現(xiàn)。因此，運動員必須兼顧成套動作的難度價值和完成質量，才能獲得理想的最終得分。
高水平體操運動員主要通過掌握高難度空翻轉體動作來提升自己的競爭實力。不同的翻騰周數(shù)和轉體度數(shù)，決定了動作的難度分值。比如在男子自由體操中，團身后空翻1周難度只有0.1；團身后空翻兩周難度為0.3；團身后空翻三周難度為0.8。而如果加了轉體，如團身后空翻兩周轉體1080°難度會增加到0.7。
不同的身體姿態(tài)完成同一個動作，難度分值也不相同。比如在男子自由體操中，通過團身姿勢完成后空翻兩周轉體1080°難度為0.7，而通過直體完成難度為0.8。
同一個動作男子和女子難度也不相同。比如在自由操項目中，團身后空翻兩周轉體1080°在男子自由體操項目中難度為0.7，但在女子項目中難度為1.0。這也是目前女子自由體操的最大難度動作。
同一個動作在不同的項目中具有不同的難度。以女子體操為例：團身后空翻兩周轉體360°（俗稱“團炫”）在高低杠項目中難度為0.4；在自由體操中難度為0.5；在平衡木中難度為0.7。
力與美的結合身體素質
體操被稱為“運動之父”，一個原因是體操項目歷史悠久，另外一個原因就是練習體操能夠全面提升力量、速度、柔韌等身體素質。無論是在什么器械上完成的高難度空翻動作，都需要強大的力量和爆發(fā)力等，同時要求極高的心理素質。
物理學因素
空翻和轉體，與運動員的助跑、起跳、騰空時間有著非常直接的關系。特別是起跳動作，直接影響了后面的騰空高度和時間，進而決定了后續(xù)動作的完成質量。
無論是從自由體操墊子上起跳、撐馬后離開跳馬、從平衡木或者單杠完成下法，人一旦離開了器械以某個角度進入空中，除了重力以外就不受任何外力，人體運動軌跡就是一條拋物線，而且這個軌跡在起跳一瞬間就已經(jīng)決定了。
根據(jù)物理學原理，自由落體時運動員的騰空時間是確定的。運動員在這樣一個確定的時間范圍內，只能通過改變身體姿態(tài)來調整旋轉速度，從而完成技術動作。這里涉及到一個重要的物理學概念——轉動慣量。
轉動慣量是描述物體對旋轉運動的慣性大小的物理量。它與物體的質量分布和旋轉軸的位置有關，決定了物體旋轉的動力學特性。轉動慣量在體操動作中是如何體現(xiàn)的呢？簡單來說，當運動員起跳到空中后，除了重力以外不受其他外力，合外力矩為0，滿足角動量守恒的條件。此時運動員身體舒張，轉動慣量變大，角速度變?。幌喾?，運動員盡力抱住自己或者團緊身體的時候，轉動慣量變小，角速度變大，轉速越快。這也正是前面所說的不同身體姿態(tài)完成同一個動作，難度分值不一樣的原因。一般來說，同一個動作難度：直體>屈體>團身。
器械對于運動員空翻動作的影響
隨著體操訓練和科學技術的不斷發(fā)展，為了滿足運動員展現(xiàn)更復雜、更優(yōu)美的難度動作，同時降低受傷風險和減小心理恐懼，體操器械在樣式、高度、材質等方面不斷改進。反過來，體操器械的發(fā)展，特別是先進彈性材料的使用，也為體操規(guī)則改進、難度動作創(chuàng)新奠定了基礎，推動競技體操向著力、難、穩(wěn)、新、美的方向不斷發(fā)展。
在競技體操發(fā)展過程中，自由體操場“彈簧地板”的出現(xiàn)，使得自由體操中的空翻類動作得到空前發(fā)展；跳馬踏板高度和馬面支撐區(qū)面積的增加，為一大批高難度空翻類動作的產(chǎn)生提供了可能；高低杠兩杠間距離的不斷加大，使杠上大回環(huán)動作得到前所未有的發(fā)展，也使體操女子運動員在比賽中可以做出毫不遜色于男子的動作。
此外，不同項目穿的衣服也不一樣，比如男子自由操、跳馬可以穿短褲并光腳，但是鞍馬、吊環(huán)、雙杠、單杠是穿背心、長褲及襪子或體操鞋。這是因為自由操和跳馬項目主要依靠下肢來完成動作，下肢力量和爆發(fā)力是他們完成很多大難度空翻轉體動作的主要動力來源，穿短褲有利于運動員發(fā)力和做動作，特別是做團身動作時可以更牢固地抱腿。
其他項目則主要是依靠上肢來完成，鞍馬、雙杠主要是上肢的支撐力量，吊環(huán)和單杠主要是上肢的懸垂力量。這類項目中的大難度空翻、轉體動作主要是依靠上肢發(fā)力來完成，穿長褲能展現(xiàn)體操運動員的健美形體、表現(xiàn)體操動作的飄逸和美感。
撰文：何衛(wèi)（國家體育總局體育科學研究所副研究員、國家體操隊科研保障團隊負責人）
圖文統(tǒng)籌：段大衛(wèi)
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