体操ＡＢＣＤＥ

科技之光

当人们以阿基米德、牛顿、开普勒的名字为科学定理命名时，体操界同样秉承了这一宝贵传统。于是我们对托马斯全旋、特卡切夫腾越、冢原空翻、李宁吊环、程菲跳同样耳熟能详。没有任何运动能列出这样一份长长的清单，最简单的跳马也有100多个注册在案的标准动作。把每个时代的开拓者连同他们的贡献载入史册，体操成长的脉络因此而格外分明，同时也昭示着一种价值观：弃旧图新、张扬个性是体操的灵魂。

体操在1896年首届奥运会上便是正式比赛项目，早期体操的界定混乱，水平低下，曾将跳高、跳远、爬绳都纳入竞赛，地面双手倒立，单杠引体向上都成为重要动作。评判也缺乏客观依据，“印象分”的标准常常暧昧而含混，1954年首次将体操动作按难度划分为A、B、C三个等级并赋予确定的分值（图1）。

(1)1896年首届奥运会上的体操比赛

1972年慕尼黑奥运会上，日本选手冢原光男首次完成了被称为“月亮空翻”的单杠团身后空翻两周转体360度下，推动了体操技术长足进展。1976年，14岁的罗马尼亚姑娘科马内奇在蒙特利尔奥运会获得了体操史上第一个10分，当时的电子记分牌竟然无法显示（图2）。此后世界体操水平迅速提高，一度出现“10分满天飞”的局面。1985年增设D组难度，此后又增设E组、超E组，仍然赶不上赛场日新月异的变化。最近冒升出来的不少高难动作已经归入F组和G组。1997年国际体操联盟大胆决定在比赛中取消规定动作，让优秀选手能有更多机会大展才华。今天体操运动中许多稀松平常的基本动作，都足以让10年前的奥运冠军目瞪口呆。

(2)图组:1976年蒙特利尔奥运会上罗马尼亚选手科马内奇获女子自由体操中满分10分

翻腾和旋转是体操的“亮点”与“看点”，也是“含金量”和惊险度的主要元素。尽管各种套路翻新出奇，如果从力学的角度来观察，便能将不可胜计的动作化繁为简，从眼花缭乱中看到有条不紊。

人作为活体虽然有别于非生命体，但不妨简化为多刚体系统的力学模型。体操中常见的一种旋转是沿着有支撑点的实体轴转动，单杠、双杠、高低杠都可以成为这样的实体轴，运动员悬垂摆动和回环动作中的握杠点便是支撑点。自由体操和平衡木的720度吸腿转体、1080度立转等则是有支撑点无实体轴的转动，冰上和芭蕾舞中更常见这种动作。踮起脚尖是为了减小支撑面产生的摩擦力矩，一枚旋转的图钉只有在钉帽朝上时才能保持稳定就是这个道理（图3）。

(3)图组:(3-1)身体沿着有支撑点的实体轴转动；(3-2)有支撑点无实体轴的转动

而人体在空中沿着自身前后方向的“筋斗”，沿着左右方向的“踺子”和沿着竖直方向的旋转，则围绕着三维坐标中三条非实体轴线，坐标的原点是身体的质心。

任何复杂的机械运动都可以分解为彼此独立的平动和转动，它们互不干扰、互不影响，只有合成与叠加关系。体操动作也不例外。2004年雅典奥运会上，西班牙选手莫雷诺完成的自由体操超E组动作展示了“又高又飘”的后空翻转体1440度，这是一个斜抛物线运动和后翻一周的筋斗加上1440度急速转体的合成。质心的“高抛物线”为完成这个双轴复合转动提供了呆在空中的必要时间。有些体操运动员在完成顶尖级动作时，身体重心腾起的高度已经超过了跳高世界纪录。

只用稍加留心便能发现，要在空中翻出一个720度的“筋斗”，运动员的身体必定“抱成一团”，“直挺挺”的姿势难以获得很高的转动速度，这是角动量守恒定理的形象演示。任何旋转物体的角动量等于转动惯量和角速度的乘积，转动惯量是转动物体的惯性，与质量成正比，与离开转动轴垂直距离的平方成正比。体操运动员“直体”的质量分布离转动轴最远，所以转动惯量最大，“屈体”把上下肢折叠起来，身体质量分布更靠近旋转轴，使转动惯量减小，“团身”则把肢体紧紧叠为三折，使全身质量最大限度向转轴集中靠拢，因此转动惯量最小。运动员都会利用转动惯量的可变性，通过改变身体姿势和改变旋转轴来控制动作。这也是在落地前要及时“打开”身体，通过增加转动惯量来“煞住”旋转的原因（图4）。

(4)图组:转动惯量示意图

身体的翻腾旋转都需要力，以自由体操为例，起跳时让腿部蹬伸的反作用力不通过身体重心，这种“偏心力矩”会带来身体的横向、侧向滚翻；地面和脚的摩擦力矩、杠上扭臂产生的力矩则带来身体的纵向转动。单杠、双杠、高低杠的弹性形变和反作用力同样为身体提供偏心力矩。跳马的中“推手”能和人前进的重心形成力偶，让身体在“第一腾空”之后围绕“制动点”旋转，这种机制有些像跑步时绊个跟头。至于蹦床则可以比作一个硕大的网球拍了(图5)。

(5)腿部瞪伸作用力不通过人体重心

体操动作的难度还包括“动静两难”。平衡木上的造型，吊环和双杠上的倒立，随时都需要用新的力矩来克服倾翻力矩。刚健优美的直角支撑、十字悬垂、十字水平支撑等则需要以极大的静态力来维持身体平衡，使身体重心所受合力为零。这些“凝固的美”恰好与体操目不暇接的飞行翻转动作相得益彰(图6)。

(6)图组: 直角支撑(上)、十字悬垂(中)、十字水平支撑(下)

如同一篇文章需要有精彩的结尾，整套体操动作从器械上的“下法”常常成为决定成败的关键。当复杂而高速的空中运动在大约0.1秒间嘎然变成地上完全的静止状态，重力和翻转产生的冲击可达到体重的10多倍，要想“站稳脚跟”，合外力矩的能量必须小于脚的最大恢复能量。好的动作“腾空高，落地近”，保持一个较大的顶角，让两脚落在身体重心速度的延长线上。如果旋转的角动量还没有在展体中“消耗”完毕，就会在地上继续“发作”，使人前仰后合东倒西歪。更重要的是，人体落地承受的“冲量”，是力与时间的乘积，只有延长力的作用时间才可以换来冲击力的减少。除了垫子的使用，让前掌着地后迅速过渡到全脚掌，并依照正确顺序使髋、膝、踝关节作急剧的退让性收缩，这种“缓冲”动作能有效延长脚与地面的作用时间。所谓“旋转如风，落地如钉”便是运动员“下法动作”的最高境界(图7)。

(7)控制身体的平衡有着数字化的标准

屈指数数我们熟悉的奥运体操明星，男儿英姿飒爽，体态结实紧凑。女儿亭亭玉立，身材小巧玲珑。牛高马大和丰乳肥臀不（不符合）仅破坏体操的美学法典，同时违背科学原理。高大的身体会增加各部分的转动惯量，妨碍动作的灵巧。更重要的原因在于体重和力量不是线性关系。肌肉按立方关系增加，输出功能只按平方关系增加，力量大小由肌纤维截面积所决定。因此“袖珍型”选手具有更高的肌肉贡献率和体能效率。这和人们常常谈论的“跳蚤跳得高”，“蚂蚁力气大”之类的古典问题又“触类旁通”了。

2006年阿胡斯世界体操锦标赛上，多年来一直象征完美的10分制被无情抛弃，难度不封顶的新规则在岐见纷纭中毅然出台，并开启了体操竞赛的世界纪录，这是国际体操联盟进一步奖掖创新、鼓励冒尖、拉开差距、淘汰平庸的大胆改革。在龙腾虎跃、群雄竞起的国际体坛上，每个运动员只有不断的创新才能摆脱“生存焦虑”，而任何“技不惊人死不休”的动作都离不开严格论证和精密计算。今天的体操比任何时候都更钟情于科学，这里是巧思和创意永不枯竭的源泉。