7月30日凌晨结束的巴黎奥运体操男团决赛，中国队以0.532分之差不敌日本队，获得银牌。而体操女队方面，在7月31日巴黎奥运会竞技体操女子团体决赛中，中国队以162.131分的总成绩获得第六名。体操作为一项历史悠久且充满挑战的运动，虽然两项赛事中国运动员未能拿到理想成绩让人十分遗憾，但是竞技体育的不确定性和挑战性在此体现。体操运动员们在赛场上的每一次飞跃，每一次旋转，都不仅仅是技术的展示，更是对力学原理的深刻理解和应用。体操运动项目的特征竞技体操，通常简称“体操”，男子项目包括自由体操、鞍马、吊环、跳马、双杠、单杠 6 个单项，简称“自鞍吊跳双单”；女子项目包括跳马、高低杠、平衡木、自由操 4 个单项，简称“跳高平自”。体操是我国的传统优势项目，诞生了许多以中国体操运动员命名的动作，如杨威跳，李小鹏跳、李小鹏挂等。体操追求力、难、稳、新、美，其特点是动作难度大、技术复杂，具有一定的惊险性，同时也有很强的观赏性。比赛中最引人注目的就是各种高难度的空翻、转体以及在器械上飞来飞去的动作等。这些精彩的体操动作中，也蕴含了丰富的物理学知识。
整体上来说，体操属于技巧类项目，每个单项都有其独特的魅力和技巧要求。自由操项目中，运动员需要在规定的时间内完成一系列连续且流畅的动作，这既考验他们的身体控制能力，也考验他们的创意和表现力。鞍马不能有静力性动作，必须流畅地连续完成；但吊环项目要求必须有静力性动作，而且需要保持2秒。跳马只需要完成一个动作（单项比赛需要两跳）；而其他项目要求运动员完成一套动作。此外，有些项目有时间要求，超时会扣分。体操运动中的旋转在体操项目里，除了与器械一同完成的旋转，比如鞍马的全旋，单杠、高低杠项目中的大回环等，体操运动员自身旋转的主要类型是空翻和转体。空翻是绕着人体的横轴旋转，有一周、两周、三周的空翻。转体主要是绕着人体的纵轴旋转，如180°、360°，最大转体周数可达1440°。
体操项目中，有些动作只是单纯的空翻或者单纯的转体，但更多是空翻和转体同时完成的动作。此外，两周及以上空翻加转体的复合轴旋转称为“旋”空翻。空翻和转体动作的难度经常观看体操比赛的观众可能知道，体操最终得分主要由难度分（D分）和完成分（E分）组成。难度分是体操运动员竞技实力的体现，完成分是运动员完成动作质量的体现。因此，运动员必须兼顾成套动作的难度价值和完成质量，才能获得理想的最终得分。高水平体操运动员主要通过掌握高难度空翻转体动作来提升自己的竞争实力。不同的翻腾周数和转体度数，决定了动作的难度分值。比如在男子自由体操中，团身后空翻1周难度只有0.1；团身后空翻两周难度为0.3；团身后空翻三周难度为0.8。而如果加了转体，如团身后空翻两周转体1080°难度会增加到0.7。不同的身体姿态完成同一个动作，难度分值也不相同。比如在男子自由体操中，通过团身姿势完成后空翻两周转体1080°难度为0.7，而通过直体完成难度为0.8。同一个动作男子和女子难度也不相同。比如在自由操项目中，团身后空翻两周转体1080°在男子自由体操项目中难度为0.7，但在女子项目中难度为1.0。这也是目前女子自由体操的最大难度动作。
同一个动作在不同的项目中具有不同的难度。以女子体操为例：团身后空翻两周转体360°（俗称“团炫”）在高低杠项目中难度为0.4；在自由体操中难度为0.5；在平衡木中难度为0.7。
力与美的结合身体素质体操被称为“运动之父”，一个原因是体操项目历史悠久，另外一个原因就是练习体操能够全面提升力量、速度、柔韧等身体素质。无论是在什么器械上完成的高难度空翻动作，都需要强大的力量和爆发力等，同时要求极高的心理素质。
物理学因素空翻和转体，与运动员的助跑、起跳、腾空时间有着非常直接的关系。特别是起跳动作，直接影响了后面的腾空高度和时间，进而决定了后续动作的完成质量。
无论是从自由体操垫子上起跳、撑马后离开跳马、从平衡木或者单杠完成下法，人一旦离开了器械以某个角度进入空中，除了重力以外就不受任何外力，人体运动轨迹就是一条抛物线，而且这个轨迹在起跳一瞬间就已经决定了。根据物理学原理，自由落体时运动员的腾空时间是确定的。运动员在这样一个确定的时间范围内，只能通过改变身体姿态来调整旋转速度，从而完成技术动作。这里涉及到一个重要的物理学概念——转动惯量。转动惯量是描述物体对旋转运动的惯性大小的物理量。它与物体的质量分布和旋转轴的位置有关，决定了物体旋转的动力学特性。转动惯量在体操动作中是如何体现的呢？简单来说，当运动员起跳到空中后，除了重力以外不受其他外力，合外力矩为0，满足角动量守恒的条件。此时运动员身体舒张，转动惯量变大，角速度变小；相反，运动员尽力抱住自己或者团紧身体的时候，转动惯量变小，角速度变大，转速越快。这也正是前面所说的不同身体姿态完成同一个动作，难度分值不一样的原因。一般来说，同一个动作难度：直体>屈体>团身。
器械对于运动员空翻动作的影响随着体操训练和科学技术的不断发展，为了满足运动员展现更复杂、更优美的难度动作，同时降低受伤风险和减小心理恐惧，体操器械在样式、高度、材质等方面不断改进。反过来，体操器械的发展，特别是先进弹性材料的使用，也为体操规则改进、难度动作创新奠定了基础，推动竞技体操向着力、难、稳、新、美的方向不断发展。在竞技体操发展过程中，自由体操场“弹簧地板”的出现，使得自由体操中的空翻类动作得到空前发展；跳马踏板高度和马面支撑区面积的增加，为一大批高难度空翻类动作的产生提供了可能；高低杠两杠间距离的不断加大，使杠上大回环动作得到前所未有的发展，也使体操女子运动员在比赛中可以做出毫不逊色于男子的动作。
此外，不同项目穿的衣服也不一样，比如男子自由操、跳马可以穿短裤并光脚，但是鞍马、吊环、双杠、单杠是穿背心、长裤及袜子或体操鞋。这是因为自由操和跳马项目主要依靠下肢来完成动作，下肢力量和爆发力是他们完成很多大难度空翻转体动作的主要动力来源，穿短裤有利于运动员发力和做动作，特别是做团身动作时可以更牢固地抱腿。
其他项目则主要是依靠上肢来完成，鞍马、双杠主要是上肢的支撑力量，吊环和单杠主要是上肢的悬垂力量。这类项目中的大难度空翻、转体动作主要是依靠上肢发力来完成，穿长裤能展现体操运动员的健美形体、表现体操动作的飘逸和美感。来源：“北京科协”公众号
撰文：何卫（国家体育总局体育科学研究所副研究员、国家体操队科研保障团队负责人）图文统筹：段大卫编辑：段大卫 版权声明
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