本文来自微信公众号：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：Kun，题图来自：视觉中国
7月26日上午11点25分日本东京奥运会街式项目滑板女子组决赛场上，中国选手曾文蕙代表中国参与此新项目，并以总分第六的总成绩，完成比赛。16岁的她不仅是中国历史上亮相奥运滑板项目的第一人，也是中国历史上进入奥运滑板决赛的第一人。
让我们也同时期待8月4日，代表中国出战女子组滑板碗池项目的张鑫。
昨天滑板是奥运会首秀，小编作为一名资深的板混（买板两年了，还和新的一样），膜拜着看完了全程。
虽然滑不好板，但是滑板中的物理知识小编还是能说道说道的。
一、奥运会与滑板项目
滑板作为最广为人知的极限运动之一。它的起源有很多种说法，但是普遍被认为始于1940年代的美国西海岸。当时的滑板有多简单呢，就是给一个木板上固定几个金属轮。1950年代，粘土复合材料又取代金属轮。但当时的这两种板的轮子太硬了，每滑一步，骨头都能给你震碎。所以滑板一度陷入衰落。然而1970年代，聚氨酯轮的出现，让滑板在全球范围开始风靡起来。
滑板从发明到现在，板身的材质也曾经用过玻璃纤维、铝还有塑料。但相比于硬枫木这种坚固且柔韧的木头，这种非木质的材料，都难以在柔韧性和强度之间取得平衡，相反，木质板身做到了这些。在板的下面连接着桥，桥又连接了两个轮子，桥通过挤压其中的PU垫圈来吸收冲击或进行滑板的转向。
滑板的结构 来源：expression.edu
1980年代以来，滑板更多是一种街头的运动项目，然而在2016年，国际奥委会正式宣布滑板进入奥运会项目，并在2020年运动会上会产生4枚金牌。我国本届奥运会也将派出两位女将，张鑫和曾文蕙。
当然了滑板有很多种，不同的滑板也有不同的玩法，还有长板、鱼板、自由式滑板等等。奥运会入选的滑板项目则是双翘滑板。
来源：kateboardershq.com
比赛共有两个项目，分别是街式赛（street）——男、女和公园赛（park，也可以说碗池）——男、女。街式赛的场地是在有着把手、座椅的街道类似的线路上，借助这些道具完成动作。大概就是嫌路上的设施不够旧，带着板跳上去磨一磨。而公园赛的场地则是在一个“碗”里。运动员将会在这里完成设计好的路线，并在“碗口”滞空时展示技术动作。
东京奥运会公园赛地图 ©California Skateparks
东京奥运会街式赛地图 ©California Skateparks
二、滑板中的物理原理
上板和下板的原理是一样的，首先将自己的惯用脚放在板上，另一只脚通过蹬地或者与地面摩擦的方式，给自己加速或者减速。
首先说说曲线滑行（carving），滑手在进行曲线滑行时，每一次进行方向的变动，滑手都需要通过用力踩板的转向侧，使得内外轮分别处于不同半径的同心圆中，从而产生内外轮差，完成滑板的转向。
转向前后滑板的姿态
同时，如果速度比较快，还需要通过倾斜身体，让重力与支持力的合力提供向心力。这样才不会在板上被甩出去。不过需要注意的是，这里转向的原理并不符合汽车转向中的阿克曼转向几何，因为滑板内外轮的轴向始终是同一条直线。
其实学习滑板最基础的也就这些，学会基础动作之后就要学习技术动作了，否则作为一个板混你的良心不会痛么（小编：不会痛）。
先说一个非常简单的技术动作——Hippie Jump。运动员在板上竖直起跳，和板保持相同的水平方向速度，相对于板做了一个上抛运动。但是相对于地面就是水平速度为板的速度的斜抛运动。
运动员的运动轨迹 来源：real-world-physics-problems.com
来源：deviantart.com
在越过障碍之后，下落时能够正好落在刚刚穿过障碍物下方的滑板上。动作的要领就是起跳时，不能有一点向前或者向后的力，否则在越过障碍之后落不在板上。同时起跳要足够高，速度足够快，否则就越不过障碍。
来源：网络
滑板的技术动作的最基础的动作ollie，可以说是劝退了很多还没入门滑板的小同志。
做ollie时两只轮子的轨迹 来源：wired.com
而且ollie是几乎所有高阶技术动作的核心，ollie练不好，更高阶的技术动作就没办法练了。这是一种让滑手能够和板跳到空中的技巧，可以利用这个技巧越过一些障碍。它的整个过程如下：首先运动员会降低自身的重心，从而使得他们跳的更高。起跳的时候，和Hippie Jump的区别就是，收腿的顺序不一样。这也从上图可以看到，两个轮子离开地面的时间也不一样。
在起跳之后，首先前脚先收，滑板由于杠杆作用，板头被翘起来。后脚收脚及时的话，可以给板造成板尾触地，跳（pop）起来的感觉。
蓝色代表地面支撑力，黑色代表重力，红色代表运动员给予滑板的力 来源：real-world-physics-problems.com
紧接着前脚向板头滑动，并倾斜（为了更好的控制板面），使得前脚能够“抓住”具有粗糙表面的板头，这时在空中的板头受到的力可以分解为平行于板面向前，和垂直于板面向下的两个力（如步骤3）。这两个力足以控制板在空中的行动轨迹，由于垂直于板面的力，给空中的滑板施加了扭矩，所以板尾也应势抬起。而平行于板面的力能够在空中“拖动”滑板，控制滑板落在自己脚下合适的位置。
来源：real-world-physics-problems.com
在板尾抬起后，后脚实际上也和前脚一样，对滑板施加的力也会分解为两个力，平行于板面向后和垂直于板面向下的两个力。这个时候，平行于板面的两个力，就能控制滑板落在自己脚下合适的位置。以下则是滑板在ollie的不同时刻受到的力的示意图。
做ollie时滑板时刻受到的力 来源：wired.com
这也是一种基础的技术动作，需要用到角动量守恒的原理。需要在ollie的基础上再加上滑板顺时针/逆时针旋转180°（regular脚位逆时针旋转，goofy脚位顺时针旋转）。
来源：real-world-physics-problems.com
整个人服从角动量守恒，由于没有任何扭矩的产生，所以无法在空中完成整体的旋转。如何做到转体180°的呢？实际上他们是通过上下半身以相反的方向旋转的方式保持动量守恒，来保证滑板180°的旋转。
而且在空中打开双手能够增大H1的值，从而使得下半身H2增大，从而下半身转向会更容易一些。落地之后，为了恢复上半身的错位，只需要借助此时地面的摩擦力给予的扭矩，让上半身恢复即可。
三、在碗池中的滑行
在公园赛中，为了能够在碗边有足够高的速度，这样才能有充足的时间来进行空中技术动作。选手会通过调整重心的高度，来保证在最高点的速度。
这个过程也可以利用角动量守恒来解释。如果把运动员在碗口起跳的过程类比成一只以o为固定点，长度可以伸缩的钟摆，就可以分析这个过程了。只要调整在冲上“碗口”之前采取半蹲的姿势，增加如图所示oG的距离，这样就能够增加转动惯量。在冲出碗口的时候起身，缩小oG距离，减少转动惯量，根据角动量守恒。就能够获得出“碗口”时高于原来重心不变时候的速度。
来源：real-world-physics-problems.com
四、滑板的安全性问题
看多了滑板运动员在速度很快的时候做技术动作，小编难免会为他们捏一把汗。但是只要掌握正确的摔倒姿势，就会保证尽可能小的伤害。通过观察奥运比赛中选手们的摔倒姿势，可以非常明显的看到，一般大家会采用一种前滚翻的方式保护自己，通过滚动减小水平方向的动量。
以滚动摩擦代替滑动摩擦，妙啊~所以说，要学会滑板你得先学会摔倒。否则如果因为惯性向水平方向滑出去，会对人的身体造成更大的伤害。不过可不要故意滚起来。
还有滑板选手经常会有从高台上跳下来的动作，下来之后还和没事人一样，要是真的有人从这么高的地方以这么快的速度跳下来，就算翻滚那也肯定出事。难道玩滑板的人真的是有铁打的身体吗？
答案当然不是，从我们刚刚提到的技术动作——Hippie Jump可以知道，实际上在这个过程中运动员相对于滑板只经历了一个近似上抛的运动，在最后落地时刻，运动员和板之间的受力也几乎只是竖直方向的。只要我们人类能接受这么高的下落高度，那么这种动作就可以完成。而且滑板的轮子还有板面的弹性，一定程度上，也能够缓解这种冲击力。
但是如果滑板脱离了脚下，不能够及时的采取翻滚的姿势，就极有可能造成骨折、扭伤等后果。因为在落地瞬间，地面对人不光有向上的支持力，还有水平方向的摩擦力，两者的合力作用下，一定超过了支持力，这种瞬间的冲击力对人的脚踝的作用是非常大的。所以小编每次看到运动员摔倒都很担心他们。
希望每一位运动员都能够赛出风采，发挥出自己的水平，更重要的是要注意安全！
本文来自微信公众号：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：Kun