科技之光

當(dāng)人們以阿基米德、牛頓、開普勒的名字為科學(xué)定理命名時(shí)，體操界同樣秉承了這一寶貴傳統(tǒng)。于是我們對(duì)托馬斯全旋、特卡切夫騰越、冢原空翻、李寧吊環(huán)、程菲跳同樣耳熟能詳。沒有任何運(yùn)動(dòng)能列出這樣一份長(zhǎng)長(zhǎng)的清單，最簡(jiǎn)單的跳馬也有100多個(gè)注冊(cè)在案的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作。把每個(gè)時(shí)代的開拓者連同他們的貢獻(xiàn)載入史冊(cè)，體操成長(zhǎng)的脈絡(luò)因此而格外分明，同時(shí)也昭示著一種價(jià)值觀：棄舊圖新、張揚(yáng)個(gè)性是體操的靈魂。

體操在1896年首屆奧運(yùn)會(huì)上便是正式比賽項(xiàng)目，早期體操的界定混亂，水平低下，曾將跳高、跳遠(yuǎn)、爬繩都納入競(jìng)賽，地面雙手倒立，單杠引體向上都成為重要?jiǎng)幼鳌Ｔu(píng)判也缺乏客觀依據(jù)，“印象分”的標(biāo)準(zhǔn)常常曖昧而含混，1954年首次將體操動(dòng)作按難度劃分為A、B、C三個(gè)等級(jí)并賦予確定的分值（圖1）。

(1)1896年首屆奧運(yùn)會(huì)上的體操比賽

1972年慕尼黑奧運(yùn)會(huì)上，日本選手冢原光男首次完成了被稱為“月亮空翻”的單杠團(tuán)身后空翻兩周轉(zhuǎn)體360度下，推動(dòng)了體操技術(shù)長(zhǎng)足進(jìn)展。1976年，14歲的羅馬尼亞姑娘科馬內(nèi)奇在蒙特利爾奧運(yùn)會(huì)獲得了體操史上第一個(gè)10分，當(dāng)時(shí)的電子記分牌竟然無法顯示（圖2）。此后世界體操水平迅速提高，一度出現(xiàn)“10分滿天飛”的局面。1985年增設(shè)D組難度，此后又增設(shè)E組、超E組，仍然趕不上賽場(chǎng)日新月異的變化。最近冒升出來的不少高難動(dòng)作已經(jīng)歸入F組和G組。1997年國際體操聯(lián)盟大膽決定在比賽中取消規(guī)定動(dòng)作，讓優(yōu)秀選手能有更多機(jī)會(huì)大展才華。今天體操運(yùn)動(dòng)中許多稀松平常的基本動(dòng)作，都足以讓10年前的奧運(yùn)冠軍目瞪口呆。

(2)圖組:1976年蒙特利爾奧運(yùn)會(huì)上羅馬尼亞選手科馬內(nèi)奇獲女子自由體操中滿分10分

翻騰和旋轉(zhuǎn)是體操的“亮點(diǎn)”與“看點(diǎn)”，也是“含金量”和驚險(xiǎn)度的主要元素。盡管各種套路翻新出奇，如果從力學(xué)的角度來觀察，便能將不可勝計(jì)的動(dòng)作化繁為簡(jiǎn)，從眼花繚亂中看到有條不紊。

人作為活體雖然有別于非生命體，但不妨簡(jiǎn)化為多剛體系統(tǒng)的力學(xué)模型。體操中常見的一種旋轉(zhuǎn)是沿著有支撐點(diǎn)的實(shí)體軸轉(zhuǎn)動(dòng)，單杠、雙杠、高低杠都可以成為這樣的實(shí)體軸，運(yùn)動(dòng)員懸垂擺動(dòng)和回環(huán)動(dòng)作中的握杠點(diǎn)便是支撐點(diǎn)。自由體操和平衡木的720度吸腿轉(zhuǎn)體、1080度立轉(zhuǎn)等則是有支撐點(diǎn)無實(shí)體軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，冰上和芭蕾舞中更常見這種動(dòng)作。踮起腳尖是為了減小支撐面產(chǎn)生的摩擦力矩，一枚旋轉(zhuǎn)的圖釘只有在釘帽朝上時(shí)才能保持穩(wěn)定就是這個(gè)道理（圖3）。

(3)圖組:(3-1)身體沿著有支撐點(diǎn)的實(shí)體軸轉(zhuǎn)動(dòng)；(3-2)有支撐點(diǎn)無實(shí)體軸的轉(zhuǎn)動(dòng)

而人體在空中沿著自身前后方向的“筋斗”，沿著左右方向的“踺子”和沿著豎直方向的旋轉(zhuǎn)，則圍繞著三維坐標(biāo)中三條非實(shí)體軸線，坐標(biāo)的原點(diǎn)是身體的質(zhì)心。

任何復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)都可以分解為彼此獨(dú)立的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，它們互不干擾、互不影響，只有合成與疊加關(guān)系。體操動(dòng)作也不例外。2004年雅典奧運(yùn)會(huì)上，西班牙選手莫雷諾完成的自由體操超E組動(dòng)作展示了“又高又飄”的后空翻轉(zhuǎn)體1440度，這是一個(gè)斜拋物線運(yùn)動(dòng)和后翻一周的筋斗加上1440度急速轉(zhuǎn)體的合成。質(zhì)心的“高拋物線”為完成這個(gè)雙軸復(fù)合轉(zhuǎn)動(dòng)提供了呆在空中的必要時(shí)間。有些體操運(yùn)動(dòng)員在完成頂尖級(jí)動(dòng)作時(shí)，身體重心騰起的高度已經(jīng)超過了跳高世界紀(jì)錄。

只用稍加留心便能發(fā)現(xiàn)，要在空中翻出一個(gè)720度的“筋斗”，運(yùn)動(dòng)員的身體必定“抱成一團(tuán)”，“直挺挺”的姿勢(shì)難以獲得很高的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，這是角動(dòng)量守恒定理的形象演示。任何旋轉(zhuǎn)物體的角動(dòng)量等于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角速度的乘積，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是轉(zhuǎn)動(dòng)物體的慣性，與質(zhì)量成正比，與離開轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直距離的平方成正比。體操運(yùn)動(dòng)員“直體”的質(zhì)量分布離轉(zhuǎn)動(dòng)軸最遠(yuǎn)，所以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，“屈體”把上下肢折疊起來，身體質(zhì)量分布更靠近旋轉(zhuǎn)軸，使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，“團(tuán)身”則把肢體緊緊疊為三折，使全身質(zhì)量最大限度向轉(zhuǎn)軸集中靠攏，因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小。運(yùn)動(dòng)員都會(huì)利用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的可變性，通過改變身體姿勢(shì)和改變旋轉(zhuǎn)軸來控制動(dòng)作。這也是在落地前要及時(shí)“打開”身體，通過增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來“煞住”旋轉(zhuǎn)的原因（圖4）。

(4)圖組:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量示意圖

身體的翻騰旋轉(zhuǎn)都需要力，以自由體操為例，起跳時(shí)讓腿部蹬伸的反作用力不通過身體重心，這種“偏心力矩”會(huì)帶來身體的橫向、側(cè)向滾翻；地面和腳的摩擦力矩、杠上扭臂產(chǎn)生的力矩則帶來身體的縱向轉(zhuǎn)動(dòng)。單杠、雙杠、高低杠的彈性形變和反作用力同樣為身體提供偏心力矩。跳馬的中“推手”能和人前進(jìn)的重心形成力偶，讓身體在“第一騰空”之后圍繞“制動(dòng)點(diǎn)”旋轉(zhuǎn)，這種機(jī)制有些像跑步時(shí)絆個(gè)跟頭。至于蹦床則可以比作一個(gè)碩大的網(wǎng)球拍了(圖5)。

(5)腿部瞪伸作用力不通過人體重心

體操動(dòng)作的難度還包括“動(dòng)靜兩難”。平衡木上的造型，吊環(huán)和雙杠上的倒立，隨時(shí)都需要用新的力矩來克服傾翻力矩。剛健優(yōu)美的直角支撐、十字懸垂、十字水平支撐等則需要以極大的靜態(tài)力來維持身體平衡，使身體重心所受合力為零。這些“凝固的美”恰好與體操目不暇接的飛行翻轉(zhuǎn)動(dòng)作相得益彰(圖6)。

(6)圖組: 直角支撐(上)、十字懸垂(中)、十字水平支撐(下)

如同一篇文章需要有精彩的結(jié)尾，整套體操動(dòng)作從器械上的“下法”常常成為決定成敗的關(guān)鍵。當(dāng)復(fù)雜而高速的空中運(yùn)動(dòng)在大約0.1秒間嘎然變成地上完全的靜止?fàn)顟B(tài)，重力和翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的沖擊可達(dá)到體重的10多倍，要想“站穩(wěn)腳跟”，合外力矩的能量必須小于腳的最大恢復(fù)能量。好的動(dòng)作“騰空高，落地近”，保持一個(gè)較大的頂角，讓兩腳落在身體重心速度的延長(zhǎng)線上。如果旋轉(zhuǎn)的角動(dòng)量還沒有在展體中“消耗”完畢，就會(huì)在地上繼續(xù)“發(fā)作”，使人前仰后合東倒西歪。更重要的是，人體落地承受的“沖量”，是力與時(shí)間的乘積，只有延長(zhǎng)力的作用時(shí)間才可以換來沖擊力的減少。除了墊子的使用，讓前掌著地后迅速過渡到全腳掌，并依照正確順序使髖、膝、踝關(guān)節(jié)作急劇的退讓性收縮，這種“緩沖”動(dòng)作能有效延長(zhǎng)腳與地面的作用時(shí)間。所謂“旋轉(zhuǎn)如風(fēng)，落地如釘”便是運(yùn)動(dòng)員“下法動(dòng)作”的最高境界(圖7)。

(7)控制身體的平衡有著數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)

屈指數(shù)數(shù)我們熟悉的奧運(yùn)體操明星，男兒英姿颯爽，體態(tài)結(jié)實(shí)緊湊。女兒亭亭玉立，身材小巧玲瓏。牛高馬大和豐乳肥臀不（不符合）僅破壞體操的美學(xué)法典，同時(shí)違背科學(xué)原理。高大的身體會(huì)增加各部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，妨礙動(dòng)作的靈巧。更重要的原因在于體重和力量不是線性關(guān)系。肌肉按立方關(guān)系增加，輸出功能只按平方關(guān)系增加，力量大小由肌纖維截面積所決定。因此“袖珍型”選手具有更高的肌肉貢獻(xiàn)率和體能效率。這和人們常常談?wù)摰摹疤樘酶摺?，“螞蟻力氣大”之類的古典問題又“觸類旁通”了。

2006年阿胡斯世界體操錦標(biāo)賽上，多年來一直象征完美的10分制被無情拋棄，難度不封頂?shù)男乱?guī)則在岐見紛紜中毅然出臺(tái)，并開啟了體操競(jìng)賽的世界紀(jì)錄，這是國際體操聯(lián)盟進(jìn)一步獎(jiǎng)掖創(chuàng)新、鼓勵(lì)冒尖、拉開差距、淘汰平庸的大膽改革。在龍騰虎躍、群雄競(jìng)起的國際體壇上，每個(gè)運(yùn)動(dòng)員只有不斷的創(chuàng)新才能擺脫“生存焦慮”，而任何“技不驚人死不休”的動(dòng)作都離不開嚴(yán)格論證和精密計(jì)算。今天的體操比任何時(shí)候都更鐘情于科學(xué)，這里是巧思和創(chuàng)意永不枯竭的源泉。