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跑的力学

跑是不断重复的周期性运动。波动的速率与频率及波长的关系如下式:速率=频率×波长

同理,跑的速率与步频(每秒钟所跑的步数)和步长(每跑一步的距离)的关系如下式:速率=步频×步长

要增大跑的速率,就要设法增大步频和步长。例如一短跑者平均步频为每秒4.6步,平均步长为1.8步,早其平均速率为8.28米/秒。如果以此速率跑100米,就要12.秒。

设有体力相同的A、B两人,分别采用图(a)和(b)两种跑步方式:(a)的起步角较(b)为大,则(a)每跑一步由于把身体升得较高,要费较长时间才能着地跑一下步。这样,步频自然较小。另一方面,由于(a)的起步角较大,升高身体的分速度较大而水平向前的分速度较小,故步长就较短。故(a)跑得比(b)为慢。

每跑一步的速度,是由前一步保留下的的速度(惯性)以及下一步有力后所补充的速度的向量和。每跑一步所补充的速度,同由脚向蹬地面而获得,如图(c)所示。脚后蹬的力为F,则地面也给人体一个大小等于F的反作用力,人体由于这个力在后蹬时间内获得补充的速度。F与地面的夹角α叫做后蹬角。

F可分解为F1和F2两分力。F1使人获得水平前进的加速茺,而F2则获得垂直上升的加速度。后蹬角α决定F1和F2的分配。后蹬角不应过大,否则力量F用在升高身体太大而用在前进太小,这就减小了步频和步长。短跑的后蹬角应在52°~60°之间,视体力与技术而定。

完成后蹬动作之后,人体就向前拋腾一步。接着,另一腿由摆动腿转为支撑腿而着地,如图(d)所示,这动作叫做前蹬。前蹬地面的力R和地面的夹角β叫做前蹬角。人脚受到地面的反作用力和R大小相等而方向相反。前蹬时,应脚掌着地,以减小作用力R。

由图可知,R是斜向后的,会减小前进速度。因此,前蹬角β宜大,也就是脚掌不要太早着地,要摆至接近身体下方才着地,这就要以减小R向后的分力。

为什么短跑要采用蹲踞的姿势?

在桌面上竖立一段木棒,在底部轻轻水平推动,木棍可以直立移动,但如果用力过大,木棒就会向后翻倒。

如(a)图所求,木棒被推时,它的底部受到两个力,一是推力P,一是桌面的托力Q。这两力的合力为F。

如果F通过木棒的重心,木棒就不会发生倾斜。

反之,如果F不通过重心,木棒就发生倾斜而向后翻倒,如图(b)所示。

现在,左手托着木棒使它斜立,突然放手,同时,以右手用力推动木棒底部。若P力大小适合,木棒就不会向后翻倒,能够向前加速一段路程,如图(c)报示。

短跑是分秒必争的径赛,必须争取较大的起跑加速度,也就是起跑向前推力P要足够大。如果直立起距,就会发生身体后仰志的现象。因此,采用蹲踞的姿势起跑,使地面(或助跑器)作用于足部的合力F通过人体的重心,如图(d)所示,人体就不会后仰。

在游自由泳时,下肢怎样获得推进力?

由牛顿第三运动定律:作用力与反作用力大小相等而方向相反。

蛙泳时,双脚向后蹬水,水受到向后的作用力,则人体受到向前的反作用力,这就是人体获得的推进力。但是,在自由泳时,下肢是上下打水,为什么却获得向前的推进力呢?

图中表示人体作自由泳时,下肢在某一时刻的运作:右脚向下打水,左脚向上打水。由图可见,由于双脚与水的作用面是倾斜的,故双脚所受的反作用力P和Q是斜向前的(水所受的作用是向斜向后的)。P的分力为P1和P2,而Q的分力为Q1和Q2。P1和Q1都是向前的分力,也就是下肢获得的推进力。

同样道理,鱼类在水中左右摆尾,却获得向前的推进力,也是由于向前的分力所致。

拔河比赛只是比力气吗

拔河比赛比的是什么?很多人会说:当然是比哪一队的力气大喽!实际上,这个问题并不那么简单。

根据牛顿第三定律(即当物体甲给物体乙一个作用力时,物体乙必然同时给物体甲一个反作用力,作用力与反作用力大小相等,方向相反,且在同一直线上),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。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成了胜负的关键。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。大人和小孩拔河时,大人很容易获胜,关键就是由于大人的体重比小孩大。

另外,在拔河比赛中,胜负在很大程度上还取决于人们的技巧。比如,脚使劲蹬地,在短时间内可以对地面产生超过自己体重的压力。再如,人向后仰,借助对方的拉力来增大对地面的压力,等等。其目的都是尽量增大地面对脚底的摩擦力,以夺取比赛的胜利。

为什么滑水运动员站在滑板上不会沉下去呢?

看到滑水运动员在水面上乘风破浪快速滑行时,你有没有想过,为什么滑水运动员站在滑板上不会沉下去呢?

原因就在这块小小的滑板上。你看,滑水运动员在滑水时,总是身体向后倾斜,双脚向前用力蹬滑板,使滑板和水面有一个夹角。当前面的游艇通过牵绳拖着运动员时,运动员就通过滑板对水面施加了一个斜向下的力。而且,游艇对运动员的牵引力越大,运动员对水面施加的这个力也越大。因为水不易被压缩,根据牛顿第三定律(作用力与反作用力定律),水面就会通过滑板反过来对运动员产生一个斜向上的反作用力。这个反作用力在竖直方向的分力等于运动员的重力时,运动员就不会下沉。因此,滑水运动员只要依靠技巧,控制好脚下滑板的倾斜角度,就能在水面上快速滑行。

“香蕉球”的奥秘

如果你经常观看足球比赛的话,一定见过罚前场直接任意球。这时候,通常是防守方五六个球员在球门前组成一道“人墙”,挡住进球路线。进攻方的主罚队员,起脚一记劲射,球绕过了“人墙”,眼看要偏离球门飞出,却又沿弧线拐过弯来直入球门,让守门员措手不及,眼睁睁地看着球进了大门。这就是颇为神奇的“香蕉球”。

为什么足球会在空中沿弧线飞行呢?原来,罚“香蕉球”的时候,运动员并不是拔脚踢中足球的中心,而是稍稍偏向一侧,同时用脚背摩擦足球,使球在空气中前进的同时还不断地旋转。这时,一方面空气迎着球向后流动,另一方面,由于空气与球之间的摩擦,球周围的空气又会被带着一起旋转。这样,球一侧空气的流动速度加快,而另一侧空气的流动速度减慢。物理知识告诉我们:气体的流速越大,压强越小(伯努利方程)。由于足球两侧空气的流动速度不一样,它们对足球所产生的压强也不一样,于是,足球在空气压力的作用下,被迫向空气流速大的一侧转弯了。

乒乓球中,运动员在削球或拉弧圈球时,球的线路会改变,道理与“香蕉球”一样。

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