今天的花样滑冰运动员正在展现几十年前还无法想象的惊人运动能力。在上周北京冬奥会上，美国滑冰运动员陈巍摘得金牌，他的短节目和自由滑表演充满了四周跳和三周半跳。15岁的俄罗斯滑冰运动员卡米拉·瓦利耶娃成为在奥运会混合性别团体赛中完成四周跳（实际上是两个）的第一位女性。（据新闻报道，瓦利耶娃被检测出违禁物质，心脏药物曲美他嗪.）四周跳，或称四周，包括从冰面起跳，在空中完成至少四圈旋转，然后单脚落地。这样的成就需要精湛的力量、速度和优雅——但其背后的物理原理相当简单。*
花样滑冰大约有六种跳跃类型。它们的区别在于从冰刀的哪个部分起跳（前部，也称为“刀齿”，或内刃或外刃）以及在空中旋转的圈数（一周跳、两周跳、三周跳或四周跳）。刀齿跳包括后外结环跳、后内点冰跳和后外点冰跳。刃跳包括后外环跳、萨霍夫跳和阿克塞尔跳。
四周跳——包括萨霍夫四周跳和后外点冰四周跳——在男子比赛中已经很常见（大多数顶尖男选手都会做），并且许多女性已经在奥运会以外的比赛或训练中完成了四周跳。阿克塞尔四周跳通常被认为是最具挑战性的跳跃，因为它需要向前起跳并在空中旋转四周半。迄今为止，任何性别的选手都未能在比赛中成功完成阿克塞尔四周跳，尽管像日本的羽生结弦这样的滑冰运动员已经尝试过。一些专家认为，五周跳——即五周旋转跳——在理论上是可行的。
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黛博拉·金是伊萨卡学院运动科学和运动训练教授，她研究花样滑冰的物理学。《大众科学》与她谈论了滑冰运动员如何完成这些敏捷的壮举、这项运动的身体界限以及今天的奥运选手如何扩展这些界限。
[以下是采访的编辑稿。]
您是如何开始研究花样滑冰的？
我在马萨诸塞大学阿默斯特分校攻读运动科学硕士学位，除了运动和锻炼中的生物力学之外，我真的不知道在那之后我想从事什么职业。科罗拉多州科罗拉多斯普林斯奥林匹克训练中心的体育科学和技术部门有一个职位空缺。我在那里的时候，有一个花样滑冰训练营。其中一位教练对研究三周半跳的生物力学非常感兴趣。这几乎开启了我对花样滑冰生物力学的研究——这是一个非常酷的项目。在此之前，我没有任何花样滑冰的经验。
您能解释一下主要跳跃类型背后的物理原理吗？
无论使一个跳跃与其他跳跃不同的花样滑冰技术是什么，所有跳跃都有一些基本的物理原理是共通的。从纯粹的力学角度来看，毫无疑问，滑冰运动员必须在空中停留足够长的时间才能完成他们想要做的旋转圈数。为了获得跳跃的空中停留时间，这与跳跃高度有关——而这几乎与他们从冰面跳起时能够获得的垂直速度有关。根据是刀齿跳还是刃跳，他们为获得垂直速度而做的运动模式会有所不同。
对于刀齿跳，您有点像利用刀齿进行撑杆跳以弹出。而刃跳，更像是您伸展腿，也许稍微用一下手臂来获得一些垂直速度。特别是对于刀齿跳，您拥有的水平速度可以用于做更像撑杆跳的运动。在这种情况下，额外的水平速度可能有助于在您的腿中储存更多能量。您以这种线性动量进入，但是当您在腿上旋转时，水平运动实际上现在被稍微垂直地重定向了。这被称为切向速度。因此，当然，水平速度可能有助于产生垂直速度。水平速度可能对刃跳没有太大帮助——您主要只是推离地面，并且通常是从肌肉中获得力量。
为什么这些跳跃如此难以完成？
滑冰运动员需要同时做两件事，这使得它非常困难：他们需要从冰面弹起——这将给他们垂直速度以获得高度——并且他们需要开始快速旋转。当他们从冰面压起向上跳跃时，他们还需要在冰面上产生扭矩[一种旋转力]，这将给他们旋转动量。他们需要旋转动量，以便当他们离开冰面时，他们可以收紧身体并快速旋转。
这就像在办公室转椅上旋转并将手臂收进来以更快地旋转一样吗？
完全正确，这背后的实际物理原理是：您正在减小您的转动惯量，这会增加您的转速。
滑冰运动员需要做什么才能在跳跃过程中完成更多旋转？
与三周跳相比，对于大多数滑冰运动员来说，做四周跳的关键在于转速。从理论角度来看，额外的高度会有所帮助。做四周跳的滑冰运动员通常跳得更高。
滑冰运动员可以完成的旋转次数是否存在基本限制？
我绝对认为人们可以做五周跳。但是一个人在从冰面跳起以获得如此高度时，所能拥有的力量和所能产生的力量是有限的。即使您想到[美国国家橄榄球联盟球探]联合会的垂直跳跃记录，人们也不会跳到两到三米的高度。而且您只能变得如此狭窄。您受到肩膀和臀部宽度的限制——根据您的具体人体测量[身体比例]，您只能达到一定的最小转动惯量。
滑冰运动员可能可以提高的另一个因素——为了做更多旋转——将是他们离开冰面时的旋转动量。当他们进行滑行或步法进入起跳时，他们在围绕旋转轴产生扭矩，因为他们从冰面推起。如果他们能够在仍在向上爆发时获得更多旋转动量，那么他们就可以以那个小的身体姿势更快地旋转。这有点像：如果您在轮胎秋千上，有人更用力地推您，您将旋转得更快。所以有三件事您可以尝试。
滑冰运动员在数学上应该能够完成萨霍夫五周跳或后外点冰五周跳。对我来说，阿克塞尔四周跳可能是极限，因为它是 4.5 周旋转。
在完成更多旋转方面，男滑冰运动员比女滑冰运动员更有优势吗？
总的来说，您看到的只是男滑冰运动员和女滑冰运动员之间肌肉质量的差异。显然，存在重叠，顶尖的女滑冰运动员会流入男滑冰运动员的行列。但是，如果您查看力量和爆发力的钟形曲线，大多数男滑冰运动员的力量和爆发力确实更强。大多数男滑冰运动员比女滑冰运动员跳得略高，而且他们中的大多数人可能能够产生更大的离冰旋转动量。您可以[争辩说男滑冰运动员]处于劣势，因为总的来说，他们无法获得像女性运动员那样紧凑或小的转动惯量。因此，对于男性来说可能会更难，因为总的来说，滑冰运动员往往身材娇小。
花样滑冰是否存在最佳年龄？
就女性而言，您会看到许多滑冰运动员在青春期前就掌握了跳跃。对于女滑冰运动员来说，当她们经历青春期时，可能会特别困难，因为身体尺寸和形状的变化使她们不得不重新学习跳跃。这种情况也发生在男性身上，但这可能更多是由于生长突增不匹配造成的，因为肌肉必须跟上。
在1998年日本长野冬季奥运会上，法国花样滑冰运动员苏里娅·博纳莉在冰面上表演了一个令人印象深刻且技术上非法的后空翻。她是怎样做到的？
它与其它跳跃的基本物理原理大致相同。旋转是关于不同的轴。与大多数花样滑冰跳跃中涉及的垂直轴相反，她围绕着许多人称之为翻转轴或翻滚轴的轴旋转。当您观看体操运动员时，他们更像是头朝下翻滚。涉及到一些相同的原理——例如，您需要足够高才能让您的身体翻转过来[完成一个后空翻]。体操运动员会做，比如，后空翻两周。但是您看不到在冰面上完成三周或四周后空翻。在冰上着陆也很困难。如果您高度不够，冰面并不是一个特别宽容的表面。
哎哟，我可以想象。所有这些跳跃对身体有什么影响——字面意义上的影响？
我们正在尝试研究着陆中涉及的力。还没有很多人做过这项研究。没有很多现成的设备可以连接到冰刀上。我在杨百翰大学的同事和我用传感器对花样滑冰刀片进行了仪器化，这些传感器可以测量力。当我们校准好它时，新冠疫情爆发了。所以我们实际上还没有测量力。
我们对我们认为力有多大有一些想法。大多数人会说，着陆时的力量在体重的五到六倍之间，最高可能达到体重的 10 到 12 倍。而且这一切都发生在一只脚上。这对同一条腿，在非常坚硬的表面上，一次又一次地造成了很大的损害。滑冰运动员确实有很多伤病。如果您在电视上观看，它看起来如此优雅、轻松和美丽。但是，如果您在他们练习时走到冰场边缘，您就可以听到起跳和着陆的声音，并且您很快就会对冲击力的大小留下深刻的印象。
*编者注（2022年2月14日）：此段在发布后进行了更新，删除了对奥林匹克运动会对卡米拉·瓦利耶娃曲美他嗪阳性检测做出过时回应的引用。