伴随着贺岁钟声的响起，随之而来的，还有倍受期待的北京冬奥会。这一次的冬奥会的举行可谓是历经了诸如疫情等重重困难，而我国为了本次冬奥会的顺利进行也是做出了相当多的准备工作，这一切的一切都使得这一次的北京冬奥会格外令人期待。
通过冬奥会，来自全世界的小伙伴们都可以一同欣赏绝美的雪景和运动员们在赛场上勇夺佳绩的身姿。不论是从高高的雪坡上滑下，扬起一阵雪花的高山滑雪，还是在光滑如镜的冰面上驰骋的速度滑冰，冰雪运动的魅力吸引着许多观众。
在所有冬奥运动中，不得不提到的一项运动便是花样滑冰：不同于诸如短道速滑等体育竞技项目，它不比拼选手的速度，而是根据技巧性和运动员的美感打分。而运动员们在滑冰场上完成的种种高难度动作，除了令人们赞叹其高超技术，是否也能激起你对于其背后原理的一点思考呢？下面，就让小物带大家分析一下花样滑冰背后的物理吧！
让我们先来看一段花样滑冰的视频：
运动员利用冰刀的刀尖在冰面上快速旋转。快要停下来时，他收回四肢，旋转的速度却加快了。
为什么旋转速度会加快呢?我们先将旋转的过程简化为下面这两张图：
我们知道，在一定条件下，能量和动量是守恒的。物理中还有第三个守恒量：角动量。正是角动量守恒引起了这样的效果。角动量表示了物体旋转的动量，这也是它名字的由来。当物体受到合外力矩为零时，角动量便是守恒的。在运动员收回四肢的过程中，由于冰面的摩擦力很小，可以近似认为角动量是守恒的。角动量的大小由两个因素共同决定：旋转的快慢，即角速度，和旋转的惯性，即转动惯量。收回四肢后，人体的转动惯量减小，而角动量在这段时间是守恒的，因此旋转速度就加快了。
角动量的定义为转动惯量与角速度的乘积同为表示运动的物理量，角动量与动量有着惊人的对应关系：我们知道，角动量是在对物体的转动进行描述时的一大重要物理量，通过对比我们可以发现，转动运动中的有关物理量都可以找到类似的平动运动中的物理量，例如角动量可以与动量对应，转动惯量可以与质量对应，角速度可以与速度对应，而这些对应的物理量也有着类似的物理意义。
转动动能和平动动能的定义，有没有很相似呢？
旋转速度加快这个过程是否也满足能量守恒呢？表面上来看，在运动员收回四肢的过程中，除了冰面可以忽略的阻力之外，没有外力对他做功，能量应该守恒。但通过简单的计算，我们知道：假设人的转动惯量变成原来的一半，角速度应该变成原来的两倍。而由于角速度在转动动能中是平方项，因此转动动能应该翻倍。那这多出来的能量从何而来呢？
原来，运动员在收回自己的四肢的过程中，对自己的四肢做了功。站在运动员的参考系中看，他的双手受到惯性离心力，而运动员克服这个力做正功，因此转动能量增加了。
实际上，除了利用角动量守恒来增加旋转速度之外，运动员还用它来降低旋转速度，例如运动员从空中落地后抬起腿，这样做既美观，又增加了人体的转动惯量，使旋转速度变小，更有利于保持平衡。
运动员在冰上翩翩起舞，做出许多高难度动作。与和谐优美的上肢动作相比，他脚上那双冰鞋就不那么显眼了。好奇的同学可能会想：冰刀明明会减小运动员与冰面的接触面积，使运动员难以保持平衡；此外，单纯增大压强，似乎也不能减小接触面的摩擦力。
为什么要用冰刀在冰上滑行呢？为什么普通的鞋子在冰上很容易摔倒呢？
原来，利用冰刀在冰面上滑行，有两大好处。首先，冰刀与冰面的接触面很小（不超过所有手指指甲盖的大小），因此压强很大。这会降低冰的熔点，使冰刀下的冰熔化，在冰刀周围形成一层水膜。同时冰刀也略微深入到冰面下。形成的水膜起到了润滑剂的作用，将原本就很小的滑动摩擦系数降得更小；一部分冰刀在冰面以下，大大增加了侧向滑动的摩擦力，而对前后滑动的影响甚小。因此，冰刀在运动员在做各种高难度的运动时都能提供足够的向心力，不至于滑倒。这极大地方便了他们展示自己的运动技能，同时带给观众和评委以美的享受。而普通的鞋子则不能深入冰面以下，所以很容易发生侧滑而摔倒。
冬奥加油！
通过以上简单的讲解，我们知道了参加花样滑冰的运动员们在赛场上所做出的每一个令人惊叹的动作背后，都是有迹可循的物理规律。从现象中发现、总结规律，并将之反作用于生活，这便是物理乃至科学发展之意义所在。当然，以上的物理规律仅仅是解释了花样滑冰的运动员们所做出动作的原有以及其定性的视线手段，想要在赛场上真实现这一系列的动作，需要的更是艰苦的训练和坚忍的毅力，让我们为每一位努力为我们带来视觉享受的运动员们点赞，为他们加油助威！同时，也为主场作战的中国运动员们加油，祝愿他们能够取得佳绩，在新年年初之际在赛场上摘金夺银，实现生涯理想，为祖国争光！
文案 | 孟子翔排版 | 曹博涵
原标题：《小物漫谈丨运动员们为何能在冰上起舞》