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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    跑道上的物理知識

                    2016-08-26 16:39:00

                    看似簡單的跑步運動,你又了解多少其中不為人知的“秘密”呢?


                    跑步,作為田徑運動的一種,已然受到全民熱愛。不同的跑步項目,遵循著不同的法則,而且有各自的規范要求。這些法則和要求中包含著許多物理學原理,且嚴格遵守自然界的有關規律。了解并掌握這些規律,對我們提高運動成績,十分有益!


                    風是怎樣影響運動成績的

                    在一次國際性田徑比賽中,優秀青年運動員沙爾林第一次參加比賽,就以9 95 的成績刷新了百米賽跑的洲紀錄,并平了世界紀錄??墒鞘赂舨痪?,國際田聯在公布各大洲新紀錄時,卻因沙爾林違背《田徑競賽規則》(以下簡稱《規則》)中有關風速的規定,對其取得的成績不予承認。這到底是怎么回事呢?

                    原來,《規則》中明文規定:在進行距離200米和200 米以下的徑賽,以及跳遠和三級跳遠等項目時,凡順風時平均風速的分速超過2 /秒,所創紀錄不予承認。盡管在那場比賽中,掌握風速儀的工作人員,測報的順風平均風速的分速是2 /秒,但當時氣象衛星遙測的實際值卻是4 /秒。因此,沙爾林的成績被判無效。

                    那么,平均風速及分速又是怎樣影響運動成績的呢?

                    某地區、某段時間內空氣流動的平均速度叫做平均風速(V),它在跑道直道方向上的分量(Vt),就是《規則》中指出的平均風速的分速。我們知道,空氣會從氣壓高的地方流向氣壓低的地方,各地區的風向、風力也會隨時間變化。物理學告訴我們,力是改變物體運動狀態的原因。運動員在跑進過程中,除了受到重力的作用外,還受到跨步時腳蹬離地面的反作用推進力(嚴格地說,是受到地面支撐力和靜摩擦力的合力影響)。前者是個恒力,而后者是個間斷作用的瞬時力,運動員的跑進就是在這兩個力的共同作用下實現的。

                    如果在運動員跑進的方向上出現其他力的作用,顯然會影響其跑進速度。這些所謂的其他力,一般是可以避免的,只有空氣阻力與風力是避免不了的??諝庾枇υ谶\動員跑進時總是存在,并且跑得速度越快阻力就越大。但是當順風時,風速越快阻力就越小。因此,運動員在順風中跑進時,不僅身后有了風力的幫助,而且身前又少了空氣的阻力。這一加一減對運動員的幫助甚大,可使運動成績提高較多。反之,就會明顯地降低運動成績。

                    為了統一田徑比賽的標準,《規則》中對平均風速及分速加以明文規定。由此可見,沙爾林的成績有外力影響,不予承認也是理所當然的。


                    雙臂擺動有什么學問

                    短跑名將奧廉斯在一次國內比賽中獲得百米冠軍,但其后成績提高并不快。后來,教練發現他的主要問題是雙臂擺動成“八”字形,一直難以糾正。

                    一天,教練嚴肅地要他與自己的兒子比賽百米短跑。比賽分三次進行,第一次要求奧廉斯的雙臂屈起抬平后,采用同時前、后擺的姿勢跑步;第二次要求他采用屈臂同向左右橫擺的姿勢跑步;第三次要求他采用直臂前后擺動的姿勢跑步,而教練則要求他的兒子每次都用正確的擺臂姿勢跑步。結果,奧廉斯三次敗北。從此,奧廉斯糾正了擺臂姿勢,他的短跑成績也開始突飛猛進,在各種國際比賽中率創佳績。

                    那么,什么才是正確的擺臂姿勢?它在短跑中又為何如此重要呢?我們知道,跑步動作主要是靠腿來完成的,即抬腿前擺、落地支撐、迅速后蹬和騰空跨步。但人體是個整體,除了腿的動作外,還需要由雙臂配合雙腿動作協調擺動,維持身體平衡,確保運動員用全部力量推動身體重心向前迅速移動。因此,正確的擺臂姿勢應是以肩為軸的屈臂前后交替動作。

                    奧廉斯采用第一種雙臂同時前、后擺的方式,使人體的重心一會兒向前進,一會兒向后移。這樣不僅影響了身體的平衡和重心的前進速度,而且還使腿的后蹬動作紊亂,直接減弱了腿部后蹬的力量。第二種雙臂同向左右橫擺的方式,也會在跑進過程中使人體重心左右晃動,減緩跑進速度。第三種用雙臂直擺的姿勢,對重心運動的影響不大。但是,急跑時雙腿的跨步頻率較高,直臂擺動的頻率完全落后。這時,雙臂擺動不僅不能起促進作用,反而會干擾和阻礙前進。另外,直臂激烈擺動非常消耗體力,這將直接影響運動員的成績。根據物理學原理,有規則形狀的均勻物體,它的重心位置就在其幾何中心上,且隨物體形狀的改變而改變。它可以在物體的體內,也可以在體外。人體在活動時,重心位置是不固定的。因此運動員想要跑得快,就必須使身體重心在跑進過程中沿一定的直線或弧線迅速運動。這樣,就需要雙腿的跨步動作來推進重心運動,同時擺動雙臂協調配合。


                    跑里圈與外圈誰吃虧

                    威爾遜與湯姆本都是出色的田徑運動員,可是在一次地區性的運動會上,兩人都在擅長的400 米競賽中名落孫山。

                    他們在分析失敗原因時互相埋怨。威爾遜認為跑里圈彎小,容易發揮速度,幾個彎一拐就可以把外圈的人甩下一大段了。因此,他認為這次湯姆失利是不應該的。而湯姆卻認為跑外圈彎大,容易跑出水平,并且有一定的“前伸數”,起跑時就可以遙遙領先。因此,他認為這次比賽中威爾遜敗陣是沒有理由的。他們為這件事爭執了好一陣子。最后,教練幫他們做了分析和解釋。


                    先看跑程問題。徑賽中各個項目只有在相同的跑程下,才能測量時間、跑速,分出名次。200 米以上的分道跑的長度同樣需要相等。由于各道的彎道半徑不同,才在各道出現了不同的“前伸數”。外圈彎道的弧線最長,因此它的“前伸數”也最大,并且從外向里“前伸數”依次減少。跑道上各道直道部分是等長的,因此各彎道部分的實際長度也是等長的。從這點來看,跑里圈的人并不吃虧,跑外圈的人也不能“先人一步”。因此,湯姆的觀點是沒有根據的。再看彎道跑的要求。運動員在彎道上的跑進可以看作是勻速圓周運動。在物理學中,作勻速圓周運動的物體必然受到向心力的作用。同一物體的運動速度越大,其向心力也越大。在速度相同的情況下,向心力的大小與圓周運動的半徑成反比,即半徑越大,物體的向心力就越小。彎道跑運動員在跑進時都需要通過讓身體適當傾斜來獲得向心力,跑里圈的需要比跑外圈的身體更傾斜一些,以便獲得較大的向心力。然而,由于最里圈與最外圈的半徑相差不大,因此同樣速度跑進時,其向心力也相差不大。經過粗略計算,質量均為60千克的兩名運動員,在標準400 米跑道上的第1 道和第6 道,均以6 /秒的速度跑進,則在這兩圈上他們將分別需要6.1 千克()5.2 千克()的向心力。這樣大小的向心力對于一般運動員來說,是可以通過自身傾斜后輕松獲得的。所以,威爾遜的觀點是一種錯覺。

                    因此總的來看,在跑步比賽中,跑里圈和外圈的人,并不存在實際差別,可能更多的是一種心理上的優劣勢。生命在于運動。我們知道,任何優異的運動成績都與刻苦鍛煉密不可分,跑步也不例外。如果能夠掌握一些科學的運動方法,或許能幫助我們事半功倍!

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