花樣滑冰可能是冬奧會項目中最具美感的比賽了，運動員時而優雅滑行，時而高速旋轉，将滑冰與藝術充分融合在了一起。日本明星運動員羽生結弦在賽場上沒有完成的那個高難度動作4A，就是騰空而起，在空中旋轉4周半。旋轉速度可以更快，達到一秒6圈。

花樣滑冰

一秒6圈是個什麼概念呢？小汽車正常行駛時，發動機的轉速大概是2500轉每分，也就是一秒42圈，是花滑運動員的7倍左右。人體跟機器當然是不能比的，但是一秒6圈的轉速也已經非常快了，普通人大概是1秒1-2圈。

我們可以簡單地計算一下，一秒6圈，換算成平均角速度就是37.68rad/s，這個數據的概念就是一秒鐘轉了2160°。旋轉的時候，人體的中心是轉軸，不考慮其他方式的運動，旋轉的人體就是一個定軸轉動。定軸轉動的物體，任何一點的角速度都是一樣的，但是加速度卻不一樣。人體是個不規則對稱形狀，根據加速度計算公式，距離越遠，加速度越大。所以較遠的肩膀位置，距離轉軸約26cm，它的向心加速度最大，達到了369 m/s2，也就是約37個g。

人體外側，加速度達37g

诶，看到這裡，可能有同學又有新的疑問了，手臂展開的時候，手指才是最遠的距離，為什麼不按展開手臂來計算呢？這裡面就又涉及到另外一個力學小知識了。花滑運動員快速旋轉的時候，必定是雙手緊貼身體，絕無可能展開雙臂，還能保持快速旋轉的。這是為什麼呢？其實，這是由動量矩守恒，也就是你們熟悉的角動量守恒決定的。運動員旋轉的時候，沒有其它外力矩的作用，動量矩滿足守恒定律。根據動量矩表達式，角速度的快慢就取決于這個J，稱為轉動慣量，是一個跟質量類似的，用于衡量旋轉慣性的物理量。根據這個J的表達式，雙手展開時，一部分質量分布偏遠，導緻J值變大，為了滿足動量矩守恒，角速度就自動降下來了。

伸展手臂，導緻減速

回到這個加速度上來，怎麼來理解這個加速度呢？我們正常所處的環境是向下的1個g的重力加速度，到了月球上重力加速度隻有1/6g，普通人就可以輕松破掉地球上的跳高紀錄。有的同學可能喜歡賽車，自己開車的時候也很喜歡那種推背感，這個推背感差不多就是1g左右。想要體驗2-3g的加速度，可以去嘗試過山車，不過有些人可能就會身體産生不适了。

過山車，2-3g

如果加速度更大，5g的時候，人體已經開始啟動保護反應，失去知覺，暈了過去。不同的人體承受的加速度不太一樣，有些人坐過山車也能暈過去。飛行員，特别是航天員，他們經過訓練後，可以承受更大的加速度，大概是9-10g。曆史上有過人體的極限加速度承受實驗，1954年美國空軍飛行員約翰•斯塔普，坐上了特制的火箭，5s内接近音速，1.4s内完全靜止，承受了46.2g的加速度，盡管他全身受傷，但是活了下來。這應該是迄今為止人體真實承受的最大加速度了，因此登上了美國的《時代周刊》封面。

極限實驗，46.2g

人體在承受加速度時，由于加速度的存在，會有一個虛拟的慣性力，它與質量和加速度成正比。所以，加速度越大，慣性力也越大。對于人體組織來講，這個慣性力會導緻組織之間互相擠壓，如果某人體薄弱組織，比如内髒承受力偏弱，那麼直接在這個慣性力的作用下被壓碎。因此，加速度越大，對人體的傷害性也越大。

剛剛算了，花滑運動員在高速旋轉的時候，身體肩膀部位的加速度是37g，遠超普通人的承受極限，已經很接近曆史最高紀錄了。但是，花滑運動員卻并沒有出現任何的人體組織損傷，甚至連暈都不暈。這是什麼原因呢？

花樣滑冰高速旋轉

其實，這跟人體不同部位的承受能力不一樣有關。比如，最大加速度部位的肩膀，那個地方除了骨頭就是肉，承受能力本來就比較大，況且該部位質量有限，加速度再大，産生的慣性力不足以讓肩膀脫臼。而随着位置的不斷靠近轉軸，加速度直線下降。人體的薄弱環節都在體内，靠近轉軸。所以加速度偏小，再加上對應位置的質量也偏小，産生的慣性力依然不足以壓碎内髒。

所以，花滑運動員不像坐火箭自殘的那位一樣，它不是整體的37g的加速度，而是局部。平均下來，大概是18.5g，體内内髒的平均加速度更小，大概也就是不到10g的樣子。整體上，人體組織所受的加速度都在其承受範圍之内。所以，1秒6圈的高速旋轉，不會對運動員産生傷害性。

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