體操比賽中，運動員在空中做出的空翻和轉體動作，驚險又好看。這些旋轉動作背後，是哪些因素在共同發揮作用？
2024 年 7 月 21 日，國家體育總局體育科學研究所運動訓練研究中心副研究員、國家體操隊科研團隊負責人何衛在科普中國星空講壇「科學之眼看奧運」主題場帶來演講《旋轉的奧秘——體操背後的科學》。
以下是何衛的演講節選：
我是何衛，來自國家體育總局體育科學研究所，是國家體操隊的科研團隊負責人。
體操是大家喜聞樂見的奧運項目。我想原因之一是項目好看，驚險、刺激。另一方面，體操也是一個大項，有 14 枚金牌之多；而且體操是我國的傳統優勢項目，我們在奧運會上取得過輝煌的成績，比如在上一屆東京奧運會，中國體操隊取得了 3 金 3 銀 2 銅的好成績。
1953 年，我國才正式開展體操項目，即現代體操運動，至今已經走過了 70 多個年頭。截至 2023 年 10 月，中國體操隊一共在奧運會、世錦賽、世界盃三個大賽上，奪得了 157 枚金牌。這個過程中，也湧現出了一批優秀的運動員，如大家熟悉的體操王子李寧、高低槓公主何可欣和五冠王鄒凱等。此外我們也誕生了 52 個以中國體操運動員命名的動作，像：楊威跳，李小鵬跳、李小鵬掛等。
體操比賽都有哪些項目？
實際上，體操是一系列項目的統稱。除了我們在奧運會上看到的競技體操、蹦床、藝術體操，其實還有很多項目，如單跳、技巧、健美操、跑酷，包括現在推廣比較好的少兒拉拉操等，都屬於體操這個大類，不過這些屬於非奧項目。
競技體操，通常習慣簡稱「體操」，包括男子自由體操、鞍馬、吊環、跳馬、雙槓、單槓 6 個項目，簡稱「自鞍吊跳雙單」，女子項目有跳馬、高低槓、平衡木、自由操 4 個單項，簡稱「跳高平自」。這個項目的簡稱順序，也是比賽的順序。在團體比賽或者個人比賽時，大多數時候，男子運動員就是按照「自鞍吊跳雙單」的順序進行比賽。
體操屬於技巧類項目，每一個單項都有其獨特的魅力和技術要求。像跳馬，運動員需要在不超過 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作。
體操項目各有特點，不過也有一個共同點，就是都有旋轉動作。運動員完成的旋轉主要有兩個類型，一個是空翻，一個是轉體。
空翻是指圍繞著人體的橫軸去旋轉，它包括一周的空翻、兩周的空翻，現在最多有三周的空翻。轉體主要是圍著人體的縱軸來旋轉，有 180 度轉半圈、360 度一圈，最多有四周的轉體即 1440 度。
轉體動作
那麼，影響旋轉的因素有哪些？
旋轉的影響因素之一：身體素質
首先是身體素質。體操，也被稱為「運動之父」。因為體操項目歷史悠久，它是最早進入奧運會的項目之一。另外，練習體操能夠提升我們的身體力量、速度、柔韌、協調、平衡、靈敏等，能夠全面鍛鍊我們的身體素質。
反過來說，只有具備非常綜合全面的身體素質，才能成為一個優秀的體操運動員。因為作為體操運動員，無論在什麼器械上去完成這些高難度的空翻動作，都需要強大的腿部力量、背腹肌力量、腳踝的力量以及上肢的力量，同時，還需要有極高的身體協調性和心理素質。
體操的動作編排，一般會把大難度的動作放在前面，因為這個時候運動員的體能是最充沛的，隨著比賽的進行，體能會逐漸下降，所以要在開始時就儘量把自己最高難度的動作展現出來。
旋轉的影響因素之二：力學因素
第二個因素就是力學因素。體操運動的空翻和轉體，與運動員的助跑、起跳、騰空時間有著非常直接的關係。特別是起跳，在平常訓練中，教練看運動員做的起跳動作，就能判斷出他這個動作能不能完成以及完成的質量。
要深入研究這些運動形式的本質，那就必須考慮力學因素，用運動受力去研究。體操動作裡面有平動有轉動，平動比如助跑，而空翻和轉體這些屬於轉動，涉及到力矩、角速度、轉動慣量、角動量守恆等概念。
力矩是作用力促使物體繞著轉動軸或支點轉動的趨向，也就是作用力使物體產生「轉」「扭」或「彎」效應的量度；角速度是在描述物體轉動時，表示單位時間內轉過多少角度；角動量守恆是人體在空中運動時，或者人體離開地面，離開器械以後，身體不受任何外力矩的影響，只受重力時，保證身體的角動量能夠保持不變。
這裡重點介紹一下轉動慣量，因為轉動慣量跟旋轉有直接關係。人或物體運動時都有慣性，慣性大小與物體或人體的質量有關係。在轉動裡面，同樣有一個運動員容不容易轉起來的物理概念，這就可以用轉動慣量去解釋。轉動慣量與物體的質量分布以及旋轉軸的位置有關。
那麼轉動慣量在體操項目里是如何體現的？
簡單來說，就是當人體起跳或者離開器械進入到空中時，這時是處於角動量守恆狀態，如果此時運動員身體舒張，角動量的轉動慣量就會變大，人體的轉動速度就會變小；反過來，如果此時運動員做的是緊緊抱住自己的一個緊身動作時，角動量的轉動慣量勢必變小，角速度變大，轉得越快。
看體操比賽時，我們可以看到，運動員在做轉體動作時，基本上都處於一個全身收緊的狀態，還有在做團身動作時，身體是蜷縮起來的，這個時候也是轉動慣量變小，轉動速度增加。當運動員在一定時間內，完成更多周數旋轉時，轉動慣量就會變大，從而讓轉動速度變慢。
旋轉的影響因素之三：體操器械
第三個影響因素是體操器械。競技體操中，所有的運動項目都是需要在器械上完成，除了訓練和比賽使用的標準器械外，我們還有其他的落地墊、保護墊、護掌以及訓練輔助器材等。運動員只有熟練地運用器械、利用器械，才能完成各種高難度的動作。
隨著體操訓練和科學技術的不斷發展，為了滿足運動員展現更複雜、更優美的難度動作，同時降低損傷的風險，減小運動員的心理恐懼，體操器械的樣式、高度、材質等也在一直不斷地改進。而器械的發展，特別是一些先進彈性材料的使用，也為體操規則的發展，體操動作的發展奠定了基礎。
特別典型的是自由操彈簧地板的出現、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作提供了可能性。高低槓兩槓之間的間距增加，為女子運動員在槓上的大部分動作提供了長足的發展，女子運動員可以做出毫不遜色於男子運動員的動作。還有單槓也改進了材質和固定方式，推動了眾多飛行動作的發展，並且運動員可以在比賽中完成直體後空翻兩周轉體720，這是一個非常大的難度動作。
旋轉的影響因素之四：體操服裝
最後還有一個影響因素就是體操服裝。女子體操運動員的服裝是統一的，基本上一整場比賽都是穿同一件服裝，而男子運動員在自由操和跳馬的項目中，可以穿短褲，並且可以光腳。
這是為什麼呢？
因為自由操和跳馬，主要是依靠運動員下肢爆發力來完成，穿短褲更有利於運動員完成發力和做動作，並且在團身時可以更牢固地抱腿，更容易完成動作。至於其他項目，主要依靠上肢完成，穿長褲能更好體現運動員的健美形體，以及動作的飄逸和美感。
在體操比賽中，我們能看到很多精彩的畫面，大多數也都是運動員成功完成動作的畫面。
但其實，在體操運動中，空翻和轉體也有很大的風險，這些絢麗的動作背後，都是運動員冒著巨大的風險去完成的。根據我們團隊的研究，對於跳馬和自由操大難度的空翻落地，當人體落地時，地面的反作用力衝擊大概是人體體重的 15 倍，這對運動員的下肢是一個巨大的衝擊，如果起跳不佳、轉體不正、離槓時機不對，都可能帶來非常非常嚴重的後果。
所以說，在競技體操的賽場上，每一份成功的背後都付出了巨大的努力，並且承擔了極大的風險。
在這裡跟大家分享一個小故事。你或許曾看到過「李小雙死亡一跳」這樣一則新聞，這是怎麼回事呢？
在 1992 年巴塞隆納奧運會的時候，其他國家參賽隊比完，但我們中國隊在體操項目中還沒有金牌入帳，這個壓力就落到了我們參加單項決賽的運動員身上。
在李小雙上場之前，當時日本選手已經完成了一個非常高質量動作，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，才能奪得冠軍。在這種情況下，他決定用上自己平常在訓練裡面，一個成功過也失敗過的動作，叫團身後空翻三周。
要強調的是，這個動作放在現在也很少有運動員去做，因為它的難度太大了。當時李小雙在訓練中其實出現過失敗，甚至嚴重到要把他送到醫院去搶救。在這樣一個時刻，中國體操隊員展現了自己的拼搏精神，去完成這樣一個高難度動作。最後李小雙完成的質量非常高，以 9.925 分的成績奪得了中國隊在巴塞隆納奧運會唯一一塊體操項目金牌。
策劃製作
作者丨何衛 國家體育總局體育科學研究所運動訓練研究中心副研究員、國家體操隊科研團隊負責人
責編丨楊楊