运动场上的物理学

竞技运动给人们带来巨大的刺激，极大的调节了人们的情绪和心理状态，具有很好的观赏性。但是很少有人注意到运动中的物理学原理。

　　

　　跳高运动员是从横竿下钻过去的吗?

　　

　　有人告诉你，优秀跳高运动都是从横竿下钻过去的，你一定不相信。听到这样的话大家都会感到吃惊，难道裁判和观众的眼睛都出了问题吗?非也，让我道出原委。

　　跳高是田径运动中的重要项目，最初的男子世界跳高记录是1．70米左右，现在的世界记录已经超过2．40了。跳高是人依靠自己的力量克服地球的引力，使身体越过横竿的运动。看来这是一个力气活，它有没有窍门呢?有。

　　美国科学家做了一个试验，请了270名男学生做立定跳高测试，大多数人立定跳高可使身体重心升高0．51米左右。看来人的弹跳力大体相同。当然跳高运动员会跳得更高一些。

　　那么除了弹跳力之外，还有什么重要因素影响人跳得高矮呢?从跳高运动史来看，跳高的姿势是很重要的因素。跳高的姿势决定了人体跳跃横竿时人体重心与横竿的相对位置。现在跳高的姿势有五种：跨越式、剪式、滚式、俯卧式、背越式。运动员用跨越式过竿时人体的重心必须在横竿上几十厘米。剪式、滚式、俯卧式虽然能使运动员的重心与横竿之间的距离缩小，甚至可以使运动员的重心擦着横竿过去，但仍然不是最好的跳高姿势。

　　用背越式跳高可以使运动员的重心从横竿下面过去。这话听起来好像是胡言乱语，事实上是完全可以办到的。

　　背越式跳高的过程是这样的，运动员起跳后有一个侧转动作使背对横竿。运动员腾空后注意用两腿、双臂、腰、头和颈来控制身体的重心，使其尽量降低。过竿的时候腰向后大幅度弯曲，头和肩先越过横竿，这时人体的重心还未过横竿，处于低于横竿的位置，接着迅速收腿，肢体相对位置的变化，使重心也发生了变化，重心向肩背方向移动。运动员在过竿时，利用肢体相对位置的变化，使身体的重心移出了体外，这样运动员的身体是从横竿上过去，而运动员身体的重心却从横竿下面过去了。如果以重心来表示运动员运动的轨迹，就可以说运动员是从横竿下过去的。这样的说法是正确的，因为对一个物体做功是要看把物体的重心升高了多少。既然运动员身体的重心是从横竿下过去的，运动员做的功也只能算到横竿以下。

　　运动员的身体是从横竿上过去，而运动员身体的重心却从横竿下面过去，这岂不是一件怪事吗?其实，物体的重心在物体之外的情况经常出现。测一个物体重心的办法很简单，只要把被测的物体用一根绳子吊起来，然后顺着绳子的方向向下画一条直线，然后换一个地方用绳子把重物吊起来，再画一条线，两条线的交点就是物体的重心。有时候，两条线的交点不在物体上，而是在物体之外，这时重心就在物体之外了。

　　真正跳高时，原理并不重要了，而技巧却是最重要的，因为原理一讲就会明白，实践这个原理就不那么容易了，需要解决适时调节肢体的位置，掌握起跳时机等一系列技术问题。所以懂这个道理的人不少，能跳得高的人并不多。

　　

　　铁饼、链球是扔出去的，还是转出去的?

　　

　　我们在日常生活中经常会看到一些离心现象。杂技演员表演的一种叫做“水流星”的节目令人感到惊异。用一根绳子两头各拴上一个盛有水的小水桶，以一定的速度旋转，即使把水桶翻身桶里的水一滴都不会泼出来。这在物理学上称为“离心现象”，这需要水桶旋转达到一定速度，经过计算每秒钟转一圈半水就不会泼出来。

　　一些体育运动项目运动的过程也是利用离心现象，如：铁饼、链球。在这两个项目中，我们会看到运动员手持铁饼或链球先做圆周运动 (旋转)，并不急于把铁饼、链球抛出去，而是加速旋转，待具有一定的旋转速度后，突然撒手，铁饼或链球就会沿切线线方向飞出去了。运动员要得到好的成绩除了要提高旋转速度之外，还要注意撒手的时间和位置，这就要求运动员一定要让铁饼或链球飞出时的切线方向控制在一个扇形的区域内。在铁饼、链球运动员投掷的场地都有一个金属网架，它只在对着投掷场地的那一边开口。万一运动员撒手早了或晚了铁饼或链球就会被金属网架挡住而不至于飞向观众。

　　一些离心运动会造成对身体的危害。例如在航空运动中，飞机俯冲、拉起或翻跟头时，飞行员的血液由于离心运动流向下肢，从而造成飞行员大脑缺血，四肢充血。这会使飞行员暂时失明，甚至昏厥。因此必须对飞行员进行严格训练，使之逐步适应。

　　

　　为什么跨栏架的横木是黑白相间的?

　　

　　刘翔在雅典奥运会上勇夺110米栏的冠军，不仅为国争了光，而且打破了亚洲人不适合做短跑项目的预言，成为所有亚洲人的骄傲。

　　那么为什么跨栏的栏架横木是黑白相间的呢?你可能不知道这与羊还有点关系呢，因为跨栏运动源于牧童的游戏。人们发现，顺着阳光看，白羊最醒目；逆着阳光或光线不足时，黑羊特别显眼。这是因为，白色物体能完全反射照在它上面的光，所以看起来很明亮；黑色物体则可以完全吸收照在它上面的光，光不足时，呈现出深暗色。

　　这下你明白了吧，跨栏的横木涂成黑白两色相间，可以在任何方向上都能看得很清楚。不仅如此，黑白的强烈对比，还能引起运动员中枢神经系统的兴奋与集中，可以提高肌体的活动能力。如果跨栏架横木的反光强度正好适应视觉生理要求，还不会引起神经的疲劳，从而可以提高运动员动作的准确性。

　　

　　摔跟头也有技巧

　　

　　跟头谁没摔过，可谁愿意摔呢?此话差矣!人们发现在体育运动中，有的运动员很会摔跟头，这其实是自我保护。从物理的运动学角度看，摔跟头无非是由运动到静止的过程。运动的物体有动能，停止下来，动能没有了。这部分能量恰恰等于外力对物体所做的功。这个功的效果就是把被摔者撞疼，摔伤，使皮肉甚至筋骨受苦。

　　运动场上运动员摔跟头问题，在物理学中就是动量的问题。运动物体的质量与速度的乘积叫做它的动量。显然，摔倒后静止的人，动量为零。而由运动到静止的动量之差等于冲量。冲量是冲力与时间的乘积。也就是说，同样的动量变化量如果作用时间长，冲击力就小，时间短，冲击力就大。如果设法把这个动量变化的过程延长，冲击力就会减少，人也许就不会受到伤害了。这就是物理学中的动量定理：物体所受合外力的冲量等于它的动量的变化。

　　篮球运动员总是一面接球，一面转身并将手缩回，用以延长接住球的时间。如果双手迎上去，迅速把球接住，过程的时间是短了，但手会疼得很厉害，甚至可能受伤。足球运动员被绊倒时，如果一个“大马趴”摔在地上，就可能会摔断锁骨；如果他用肩膀后部着地，就势在地上打几个滚，就不会出危险。因为他通过打滚，延长了这个过程的时间，使冲击力减少了。足球运动员受伤多半是跟头没有摔好。两个人撞在一起就无法延长相撞的时间。

　　初学滑冰的人，总怕摔，如果知道在摔倒前将两腿往前伸，“出溜”一下，来个“老头钻被窝”，让自己的后背着冰，就绝不会有问题的。当然，脑袋要缩一下，不要让后脑勺磕在冰上。另外，滑行时，最好哈着点腰，既降低重心又减少阻力。这时如果失去平衡，你就把双臂伸向前方，“尽情地”扑出去，这样会在冰面上滑出很远，延长了冲击时间，冲力就小了，人也就相应安全了。学会摔跟头已是运动员必修的物理“课程”。

　　我们在马路上骑车，偶尔摔倒，手破了，裤子膝头也破了，腿流血了，就是因为摔得太“干”，马路太涩了，使你无法滑出去来延长碰撞时间。当然，你也不能做横滚动作，万一滚到别人的车轮下，损失就更大了。

　　

　　拔河不光靠力气

　　

　　一般人都认为，拔河谁的力气大谁就能赢呗。这样的说法不完全对。力气固然重要，技巧也不可忽视。

　　有人根据牛顿第三定律，认为对于拔河的两个队，甲对乙施加了多大拉力，乙对甲也同时产生一样大小的拉力。可见，双方之间的拉力并不是决定胜负的因素。并由此断言拔河主要是靠技巧，力气并不重要。

　　如果对拔河的两队进行受力分析就可以知道，只要所受的拉力小于与地面的最大静摩擦力，就不会被拉动。因此，增大与地面的摩擦力就很关键了。首先，穿上鞋底有凹凸花纹的鞋子，能够增大摩擦系数，使摩擦力增大；还有就是队员的体重越重，对地面的压力越大，摩擦力也会增大。

　　以上这些做法只是不会被拉动的根据，但是要地别人拉过来还得有力气，这个力气不仅表现在手上而且更表现在腿上。当你用力蹬地时，就会有一个反作用力作用在你身上，这个力的水平分量大于对方的拉力时，就可以把对方拉动了。

　　当然，如何得这个蹬地的反作用力，又如何增大这个力的水平分量，在很大程度上还取决于人们的技巧。比如，脚使劲蹬地时腿部的弯曲程度要合适，用力要迅速。再如，人向后仰的角度要合适，仰角太小反作用力的水平分量就小，仰角太大人又容易滑倒。所有这些技巧都是建立在力量的基础之上的，没有力量什么技巧也无法使用。此外，拔河是一个集体运动项目，统一行动力往一处使也是非常重要的。

　　每一项体育运动都与物理学有关系，只要我们认真观察就会发现其中的奥秘。