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Anisimova, de 24 anos, número nove do ranking da WTA, bateu Osaka, de 27 anos, 24.ª do mundo, em três parciais, por 7-6 (7-4), 6-7 (3-7) e 3-6), ao fim de quase três horas.
Osaka tinha acumulado um total de 14 vitórias, sem qualquer derrota, em quartos de final, meias-finais e finais dos torneios do Grand Slam, incluindo quatro títulos, dois no Open dos Estados Unidos e outros dois no Open da Austrália.
A antiga número um do mundo, que queria voltar à final do torneio de Nova Iorque pela primeira vez desde o título de 2020, entrou melhor e venceu o primeiro set no tie-break.
Mas Anisimova (nona WTA), vice-campeã de Wimbledon e responsável pela eliminação da número dois mundial, a polaca Iga Swiatek, respondeu no segundo parcial, que conquistou também no tie-break.
O último set foi menos renhido, com a tenista da casa - nascida em Nova Jersey, a 80 quilómetros de Flushing Meadows - a fechar o encontro, já perto das 01:00 (06:00 em Lisboa).
"Não tinha a certeza se conseguiria cruzar a linha de meta e tentei esforçar-me ao máximo", disse Anisimova, que precisou de três oportunidades para garantir a passagem à final. "Foi uma luta enorme hoje", acrescentou.
Num encontro entre duas das mais poderosas jogadoras do ténis feminino, Osaka conseguiu serviços com uma velocidade de até 191 quilómetros por hora, que resultaram em 15 ases, enquanto Anisimova acumulou 50 jogadas vencedoras, mais 18 do que a japonesa.
"Às vezes pensava: 'Como é que estamos a acertar estas jogadas?'", disse Anisimova. "Mas estávamos", acrescentou a norte-americana.
Na final de sábado, Anisimova vai defrontar a líder do ranking mundial, a bielorrussa Aryna Sabalenka, que venceu, na quinta-feira à noite, outra tenista da casa, Jessica Pegula, em três parciais, por 4-6, 6-3 e 6-4.