1、引言

花样滑冰可能是冬奥会项目中最具美感的比赛了，运动员时而优雅滑行，时而高速旋转，将滑冰与艺术充分融合在了一起。日本明星运动员羽生结弦在赛场上没有完成的那个高难度动作4A，就是腾空而起，在空中旋转4周半。旋转速度可以更快，达到一秒6圈。

花样滑冰

一秒6圈是个什么概念呢？小汽车正常行驶时，发动机的转速大概是2500转每分，也就是一秒42圈，是花滑运动员的7倍左右。人体跟机器当然是不能比的，但是一秒6圈的转速也已经非常快了，普通人大概是1秒1-2圈。

2、最大加速度

我们可以简单地计算一下，一秒6圈，换算成平均角速度就是37.68rad/s，这个数据的概念就是一秒钟转了2160°。旋转的时候，人体的中心是转轴，不考虑其他方式的运动，旋转的人体就是一个定轴转动。定轴转动的物体，任何一点的角速度都是一样的，但是加速度却不一样。人体是个不规则对称形状，根据加速度计算公式，距离越远，加速度越大。所以较远的肩膀位置，距离转轴约26cm，它的向心加速度最大，达到了369 m/s2，也就是约37个g。

人体外侧，加速度达37g

诶，看到这里，可能有同学又有新的疑问了，手臂展开的时候，手指才是最远的距离，为什么不按展开手臂来计算呢？这里面就又涉及到另外一个力学小知识了。花滑运动员快速旋转的时候，必定是双手紧贴身体，绝无可能展开双臂，还能保持快速旋转的。这是为什么呢？其实，这是由动量矩守恒，也就是你们熟悉的角动量守恒决定的。运动员旋转的时候，没有其它外力矩的作用，动量矩满足守恒定律。根据动量矩表达式，角速度的快慢就取决于这个J，称为转动惯量，是一个跟质量类似的，用于衡量旋转惯性的物理量。根据这个J的表达式，双手展开时，一部分质量分布偏远，导致J值变大，为了满足动量矩守恒，角速度就自动降下来了。

伸展手臂，导致减速

3、人体承受加速度的能力

回到这个加速度上来，怎么来理解这个加速度呢？我们正常所处的环境是向下的1个g的重力加速度，到了月球上重力加速度只有1/6g，普通人就可以轻松破掉地球上的跳高纪录。有的同学可能喜欢赛车，自己开车的时候也很喜欢那种推背感，这个推背感差不多就是1g左右。想要体验2-3g的加速度，可以去尝试过山车，不过有些人可能就会身体产生不适了。

过山车，2-3g

如果加速度更大，5g的时候，人体已经开始启动保护反应，失去知觉，晕了过去。不同的人体承受的加速度不太一样，有些人坐过山车也能晕过去。飞行员，特别是航天员，他们经过训练后，可以承受更大的加速度，大概是9-10g。历史上有过人体的极限加速度承受实验，1954年美国空军飞行员约翰?斯塔普，坐上了特制的火箭，5s内接近音速，1.4s内完全静止，承受了46.2g的加速度，尽管他全身受伤，但是活了下来。这应该是迄今为止人体真实承受的最大加速度了，因此登上了美国的《时代周刊》封面。

极限实验，46.2g

人体在承受加速度时，由于加速度的存在，会有一个虚拟的惯性力，它与质量和加速度成正比。所以，加速度越大，惯性力也越大。对于人体组织来讲，这个惯性力会导致组织之间互相挤压，如果某人体薄弱组织，比如内脏承受力偏弱，那么直接在这个惯性力的作用下被压碎。因此，加速度越大，对人体的伤害性也越大。

4、花滑运动员为何不受伤

刚刚算了，花滑运动员在高速旋转的时候，身体肩膀部位的加速度是37g，远超普通人的承受极限，已经很接近历史最高纪录了。但是，花滑运动员却并没有出现任何的人体组织损伤，甚至连晕都不晕。这是什么原因呢？

花样滑冰高速旋转

其实，这跟人体不同部位的承受能力不一样有关。比如，最大加速度部位的肩膀，那个地方除了骨头就是肉，承受能力本来就比较大，况且该部位质量有限，加速度再大，产生的惯性力不足以让肩膀脱臼。而随着位置的不断靠近转轴，加速度直线下降。人体的薄弱环节都在体内，靠近转轴。所以加速度偏小，再加上对应位置的质量也偏小，产生的惯性力依然不足以压碎内脏。

5、总结

所以，花滑运动员不像坐火箭自残的那位一样，它不是整体的37g的加速度，而是局部。平均下来，大概是18.5g，体内内脏的平均加速度更小，大概也就是不到10g的样子。整体上，人体组织所受的加速度都在其承受范围之内。所以，1秒6圈的高速旋转，不会对运动员产生伤害性。