用物理学的方式打开奥运会，大概会是这样的…… | 红杉爱科学
体育竞技比拼的是什么？是坚定不移的精神意志，是强健柔韧的肉体爆发，是精益求精的长久耐力，是争分夺秒的精确把控……以及，对科学、数学、物理的精准计算。
在2020年东京奥运会女子公路自行车项目中，奥地利选手Anna Kiesenhofer爆冷夺金，而她的另一重身份，是瑞士洛桑联邦理工（EPFL）的数学博士后，主要从事偏微分方程相关的研究。
作为业余选手的她，如何打败此前已经拿过3次世界冠军的荷兰选手Van Vleuten？在赛后采访中，她表示对比赛做了非常周密的计划：“我对比赛做了规划，我查看时间，计算可能会在何时完成多少公里，我必须吃多少食物等等。我计划从一开始就发起攻势，我很高兴我能保持领先。”而在此前，她就在Twitter上发布过自己训练时的数据分析图，里面包括了一些对自己身体机能反应的文献论证。
或许赛场上有着诸多的变化，但是不变的，除了热血、激情的体育精神外，还有运动背后的各样的物理定律。如果说，天赋是运动员入行的契机，是他们的基本盘，努力与刻苦是激发自身动力的燃料，那么配合科学计算的训练，就是“润滑油”般的存在——让运动员们能够更加“聪明”地获得更好的成绩。
同样不变的还有运动背后的物理定律。无论是力、动量、重力，还是转矩、流体力学、空气动力学……同样的物理适用于所有人和所有项目。这些顶尖运动员正是在物理世界的规则之下，一次次向人体极限发起挑战。
跳水一直是中国的优势项目，中国跳水队也常被称为“梦之队”，他们拿到的奖牌无数。跳水十分需要技巧，过程中运动员利用到了牛顿第三定律，也就是“作用力和反作用力总是大小相等，方向相反”这一定律。他们在跳板上用力跳跃，获得了垂直速度。当他们的脚仍在与跳板接触时，他们必须使髋部和肩部屈曲。在空中时，他们则会收起手臂和腿，缩短翻转方向的半径，从而进行加速。
今年中国赛艇队拿到了奥运中的第二金，赛艇女子四人双桨比赛里的中国组合陈云霞、张灵、吕扬和崔晓桐划出了该项的世界最好成绩。赛艇运动员实际上需要达到一种体型和力量的完美平衡。个子比较高的赛艇运动员体重可能更重，这会使赛艇在水中吃水更深，从而增加了前进时的阻力。但是一位高大而强壮的运动员也可以利用更长、更有力的划桨动作弥补这一点。
今年，鲍珊菊和钟天使在场地自行车女子团体竞速赛中获得了中国代表团的第28金。事实上就在5年前的里约奥运会上，中国自行车队刚实现了奥运金牌零的突破，由宫金杰和钟天使在同一项目中夺冠。自行车比赛实际上非常讲究比赛技巧和配合。举个例子，如果一位自行车选手骑在另一位选手身后的尾流中，则可以大大节省体力，和单独以同样的速度骑行相比，这么做能够节约40%的体能。但令人惊讶的是，对于领骑的选手来说，有人跟随同样能获得一些微弱的好处，尾随的自行车手能填补身后的低压气穴，这些低压气穴原本也会带来一些阻力。
今年，中国运动员苏炳添创造了历史，他让亚洲面孔首次出现在了奥运会百米飞人的决赛赛场上，最终获得第6名。为什么顶尖短跑运动员的手臂都有如此发达的肌肉？我们都知道，人的身体需要高度的协调。强壮的手臂能够帮助平衡跑动中用力蹬腿的动量，让运动员在跑步时保持稳定。跑步时，弯曲的肘部会让手臂变成一个更短的摆，摆动得更快。
体操同样是奥运赛场上备受瞩目的项目，今年中国运动员面对各种不利因素仍然发挥出色。当体操运动员在空中旋转时，他们利用的是角动量的物理概念。选手在空中会将手臂和腿收紧，转动惯量降低，但角速度会增加作为补偿，保证了角动量的守恒。
今年，滑板运动在奥运会上完成了首秀。年仅16岁的滑板选手曾文蕙也成为第一位进入奥运滑板决赛的中国运动员，并获得决赛第6名。能量守恒帮助了滑板运动员“对抗”地心引力。当他们在U形滑道上向下滑行时，他们将重力势能转化为动能，并以速度的形式表现出来，同时，他们能利用这种速度将自己从滑道的另一侧“发射”出去，接着就能表演出各种精彩的空中动作。
射箭虽然没有其他一些项目那么热门，但中国运动员同样取得过不俗的成绩。当射箭运动员将箭向后拉时，弓和弦会储存势能，而在运动员放手的瞬间，这些势能就会转化为动能。被固定在箭上的一些羽毛也被称为箭羽，它可以理解成一种空气动力学的稳定装置，能够防止湍流将箭推离行进轨迹。
网球的背后藏着许多物理原理，微妙的挥拍、击球变化都会带来球飞行路径的差异。比如，如果运动员打出了一个上旋球，则会出现一种被称为马格努斯效应的现象，这可以理解成一种能将球向下推的气动力。根据伯努利定律，旋转还会在球的上方和下方产生不一样的气流速度，从而带来额外的向下的力。
今年在奥运会跳高赛场上首次出现了跳高双金牌。为了达到最大高度，跳高运动员会在横杆之上将身体拱起，这样一来，他们的身体质心实际上是在横杆之下约20厘米的位置，这样所需的能量实际上更少。这种“背越式”的跳法是由运动员迪克·福斯贝里首创的，他也因为这一创新获得了1968年墨西哥城奥运会男子跳高金牌。这个技巧也因此被称为“福斯贝里跳”。
今年奥运另一个新增项目便是冲浪。冲浪运动员需要依靠微妙的力量平衡，帮助他们进行“十趾吊”的动作，也就是用十根脚趾勾住冲浪板。浮力和流体力学抵消了重力，使冲浪板和选手能浮在水面之上。而冲浪选手必须施加和浪产生的转矩相反的重量，从而避免从冲浪板上翻跌下去。
<文章来源>
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二次策划：Takeko
编译：Takeko
设计：毛尖尖
#参考来源：
https://insidetheperimeter.ca/olympic-physics-the-science-behind-the-sports
部分新闻事实参考人民日报、新华网等平台
#图片来源：
奥运赛事新闻图片来自东京2020年奥运会官方微博@东京2020奥运会、新华网及微博@WTA国际女子网球协会。
封面：pixabay
本文经授权转载自微信公众号「原理」（ID：principia1687）
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