體操ＡＢＣＤＥ

科技之光

當人們以阿基米德、牛頓、開普勒的名字為科學定理命名時，體操界同樣秉承了這一寶貴傳統。于是我們對托馬斯全旋、特卡切夫騰越、冢原空翻、李寧吊環、程菲跳同樣耳熟能詳。沒有任何運動能列出這樣一份長長的清單，最簡單的跳馬也有100多個注冊在案的標準動作。把每個時代的開拓者連同他們的貢獻載入史冊，體操成長的脈絡因此而格外分明，同時也昭示著一種價值觀：棄舊圖新、張揚個性是體操的靈魂。

體操在1896年首屆奧運會上便是正式比賽項目，早期體操的界定混亂，水平低下，曾將跳高、跳遠、爬繩都納入競賽，地面雙手倒立，單杠引體向上都成為重要動作。評判也缺乏客觀依據，“印象分”的標準常常曖昧而含混，1954年首次將體操動作按難度劃分為A、B、C三個等級并賦予確定的分值（圖1）。

(1)1896年首屆奧運會上的體操比賽

1972年慕尼黑奧運會上，日本選手冢原光男首次完成了被稱為“月亮空翻”的單杠團身后空翻兩周轉體360度下，推動了體操技術長足進展。1976年，14歲的羅馬尼亞姑娘科馬內奇在蒙特利爾奧運會獲得了體操史上第一個10分，當時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“10分滿天飛”的局面。1985年增設D組難度，此后又增設E組、超E組，仍然趕不上賽場日新月異的變化。最近冒升出來的不少高難動作已經歸入F組和G組。1997年國際體操聯盟大膽決定在比賽中取消規定動作，讓優秀選手能有更多機會大展才華。今天體操運動中許多稀松平常的基本動作，都足以讓10年前的奧運冠軍目瞪口呆。

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

翻騰和旋轉是體操的“亮點”與“看點”，也是“含金量”和驚險度的主要元素。盡管各種套路翻新出奇，如果從力學的角度來觀察，便能將不可勝計的動作化繁為簡，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，但不妨簡化為多剛體系統的力學模型。體操中常見的一種旋轉是沿著有支撐點的實體軸轉動，單杠、雙杠、高低杠都可以成為這樣的實體軸，運動員懸垂擺動和回環動作中的握杠點便是支撐點。自由體操和平衡木的720度吸腿轉體、1080度立轉等則是有支撐點無實體軸的轉動，冰上和芭蕾舞中更常見這種動作。踮起腳尖是為了減小支撐面產生的摩擦力矩，一枚旋轉的圖釘只有在釘帽朝上時才能保持穩定就是這個道理（圖3）。

(3)圖組:(3-1)身體沿著有支撐點的實體軸轉動；(3-2)有支撐點無實體軸的轉動

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，則圍繞著三維坐標中三條非實體軸線，坐標的原點是身體的質心。

任何復雜的機械運動都可以分解為彼此獨立的平動和轉動，它們互不干擾、互不影響，只有合成與疊加關系。體操動作也不例外。2004年雅典奧運會上，西班牙選手莫雷諾完成的自由體操超E組動作展示了“又高又飄”的后空翻轉體1440度，這是一個斜拋物線運動和后翻一周的筋斗加上1440度急速轉體的合成。質心的“高拋物線”為完成這個雙軸復合轉動提供了呆在空中的必要時間。有些體操運動員在完成頂尖級動作時，身體重心騰起的高度已經超過了跳高世界紀錄。

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

(4)圖組:轉動慣量示意圖

身體的翻騰旋轉都需要力，以自由體操為例，起跳時讓腿部蹬伸的反作用力不通過身體重心，這種“偏心力矩”會帶來身體的橫向、側向滾翻；地面和腳的摩擦力矩、杠上扭臂產生的力矩則帶來身體的縱向轉動。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”能和人前進的重心形成力偶，讓身體在“第一騰空”之后圍繞“制動點”旋轉，這種機制有些像跑步時絆個跟頭。至于蹦床則可以比作一個碩大的網球拍了(圖5)。

(5)腿部瞪伸作用力不通過人體重心

體操動作的難度還包括“動靜兩難”。平衡木上的造型，吊環和雙杠上的倒立，隨時都需要用新的力矩來克服傾翻力矩。剛健優美的直角支撐、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動作相得益彰(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尾，整套體操動作從器械上的“下法”常常成為決定成敗的關鍵。當復雜而高速的空中運動在大約0.1秒間嘎然變成地上完全的靜止狀態，重力和翻轉產生的沖擊可達到體重的10多倍，要想“站穩腳跟”，合外力矩的能量必須小于腳的最大恢復能量。好的動作“騰空高，落地近”，保持一個較大的頂角，讓兩腳落在身體重心速度的延長線上。如果旋轉的角動量還沒有在展體中“消耗”完畢，就會在地上繼續“發作”，使人前仰后合東倒西歪。更重要的是，人體落地承受的“沖量”，是力與時間的乘積，只有延長力的作用時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、踝關節作急劇的退讓性收縮，這種“緩沖”動作能有效延長腳與地面的作用時間。所謂“旋轉如風，落地如釘”便是運動員“下法動作”的最高境界(圖7)。

(7)控制身體的平衡有著數字化的標準

屈指數數我們熟悉的奧運體操明星，男兒英姿颯爽，體態結實緊湊。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）僅破壞體操的美學法典，同時違背科學原理。高大的身體會增加各部分的轉動慣量，妨礙動作的靈巧。更重要的原因在于體重和力量不是線性關系。肌肉按立方關系增加，輸出功能只按平方關系增加，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率和體能效率。這和人們常常談論的“跳蚤跳得高”，“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，難度不封頂的新規則在岐見紛紜中毅然出臺，并開啟了體操競賽的世界紀錄，這是國際體操聯盟進一步獎掖創新、鼓勵冒尖、拉開差距、淘汰平庸的大膽改革。在龍騰虎躍、群雄競起的國際體壇上，每個運動員只有不斷的創新才能擺脫“生存焦慮”，而任何“技不驚人死不休”的動作都離不開嚴格論證和精密計算。今天的體操比任何時候都更鐘情于科學，這里是巧思和創意永不枯竭的源泉。