体操比赛中，运动员在空中做出的空翻和转体动作，惊险又好看。这些旋转动作背后，是哪些因素在共同发挥作用？
2024 年 7 月 21 日，国家体育总局体育科学研究所运动训练研究中心副研究员、国家体操队科研团队负责人何卫在科普中国星空讲坛“科学之眼看奥运”主题场带来演讲《旋转的奥秘——体操背后的科学》。
以下是何卫的演讲节选：
我是何卫，来自国家体育总局体育科学研究所，是国家体操队的科研团队负责人。
体操是大家喜闻乐见的奥运项目。我想原因之一是项目好看，惊险、刺激。另一方面，体操也是一个大项，有 14 枚金牌之多；而且体操是我国的传统优势项目，我们在奥运会上取得过辉煌的成绩，比如在上一届东京奥运会，中国体操队取得了 3 金 3 银 2 铜的好成绩。
1953 年，我国才正式开展体操项目，即现代体操运动，至今已经走过了 70 多个年头。截至 2023 年 10 月，中国体操队一共在奥运会、世锦赛、世界杯三个大赛上，夺得了 157 枚金牌。这个过程中，也涌现出了一批优秀的运动员，如大家熟悉的体操王子李宁、高低杠公主何可欣和五冠王邹凯等。此外我们也诞生了 52 个以中国体操运动员命名的动作，像：杨威跳，李小鹏跳、李小鹏挂等。
体操比赛都有哪些项目？
实际上，体操是一系列项目的统称。除了我们在奥运会上看到的竞技体操、蹦床、艺术体操，其实还有很多项目，如单跳、技巧、健美操、跑酷，包括现在推广比较好的少儿拉拉操等，都属于体操这个大类，不过这些属于非奥项目。
竞技体操，通常习惯简称“体操”，包括男子自由体操、鞍马、吊环、跳马、双杠、单杠 6 个项目，简称“自鞍吊跳双单”，女子项目有跳马、高低杠、平衡木、自由操 4 个单项，简称“跳高平自”。这个项目的简称顺序，也是比赛的顺序。在团体比赛或者个人比赛时，大多数时候，男子运动员就是按照“自鞍吊跳双单”的顺序进行比赛。
体操属于技巧类项目，每一个单项都有其独特的魅力和技术要求。像跳马，运动员需要在不超过 25 米的助跑距离上，完成助跑、上板、起跳、第一腾空、撑马、第二腾空、落地等等这一连串动作。
体操项目各有特点，不过也有一个共同点，就是都有旋转动作。运动员完成的旋转主要有两个类型，一个是空翻，一个是转体。
空翻是指围绕着人体的横轴去旋转，它包括一周的空翻、两周的空翻，现在最多有三周的空翻。转体主要是围着人体的纵轴来旋转，有 180 度转半圈、360 度一圈，最多有四周的转体即 1440 度。
转体动作
那么，影响旋转的因素有哪些？
旋转的影响因素之一：身体素质
首先是身体素质。体操，也被称为“运动之父”。因为体操项目历史悠久，它是最早进入奥运会的项目之一。另外，练习体操能够提升我们的身体力量、速度、柔韧、协调、平衡、灵敏等，能够全面锻炼我们的身体素质。
反过来说，只有具备非常综合全面的身体素质，才能成为一个优秀的体操运动员。因为作为体操运动员，无论在什么器械上去完成这些高难度的空翻动作，都需要强大的腿部力量、背腹肌力量、脚踝的力量以及上肢的力量，同时，还需要有极高的身体协调性和心理素质。
体操的动作编排，一般会把大难度的动作放在前面，因为这个时候运动员的体能是最充沛的，随着比赛的进行，体能会逐渐下降，所以要在开始时就尽量把自己最高难度的动作展现出来。
旋转的影响因素之二：力学因素
第二个因素就是力学因素。体操运动的空翻和转体，与运动员的助跑、起跳、腾空时间有着非常直接的关系。特别是起跳，在平常训练中，教练看运动员做的起跳动作，就能判断出他这个动作能不能完成以及完成的质量。
要深入研究这些运动形式的本质，那就必须考虑力学因素，用运动受力去研究。体操动作里面有平动有转动，平动比如助跑，而空翻和转体这些属于转动，涉及到力矩、角速度、转动惯量、角动量守恒等概念。
力矩是作用力促使物体绕着转动轴或支点转动的趋向，也就是作用力使物体产生“转”“扭”或“弯”效应的量度；角速度是在描述物体转动时，表示单位时间内转过多少角度；角动量守恒是人体在空中运动时，或者人体离开地面，离开器械以后，身体不受任何外力矩的影响，只受重力时，保证身体的角动量能够保持不变。
这里重点介绍一下转动惯量，因为转动惯量跟旋转有直接关系。人或物体运动时都有惯性，惯性大小与物体或人体的质量有关系。在转动里面，同样有一个运动员容不容易转起来的物理概念，这就可以用转动惯量去解释。转动惯量与物体的质量分布以及旋转轴的位置有关。
那么转动惯量在体操项目里是如何体现的？
简单来说，就是当人体起跳或者离开器械进入到空中时，这时是处于角动量守恒状态，如果此时运动员身体舒张，角动量的转动惯量就会变大，人体的转动速度就会变小；反过来，如果此时运动员做的是紧紧抱住自己的一个紧身动作时，角动量的转动惯量势必变小，角速度变大，转得越快。
看体操比赛时，我们可以看到，运动员在做转体动作时，基本上都处于一个全身收紧的状态，还有在做团身动作时，身体是蜷缩起来的，这个时候也是转动惯量变小，转动速度增加。当运动员在一定时间内，完成