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《科学24小时》

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旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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跑道上的物理知识

2016-08-26 16:39:00

看似简单的跑步运动,你又了解多少其中不为人知的“秘密”呢?


跑步,作为田径运动的一种,已然受到全民热爱。不同的跑步项目,遵循着不同的法则,而且有各自的规范要求。这些法则和要求中包含着许多物理学原理,且严格遵守自然界的有关规律。了解并掌握这些规律,对我们提高运动成绩,十分有益!


风是怎样影响运动成绩的

在一次国际性田径比赛中,优秀青年运动员沙尔林第一次参加比赛,就以9 95 的成绩刷新了百米赛跑的洲纪录,并平了世界纪录。可是事隔不久,国际田联在公布各大洲新纪录时,却因沙尔林违背《田径竞赛规则》(以下简称《规则》)中有关风速的规定,对其取得的成绩不予承认。这到底是怎么回事呢?

原来,《规则》中明文规定:在进行距离200米和200 米以下的径赛,以及跳远和三级跳远等项目时,凡顺风时平均风速的分速超过2 /秒,所创纪录不予承认。尽管在那场比赛中,掌握风速仪的工作人员,测报的顺风平均风速的分速是2 /秒,但当时气象卫星遥测的实际值却是4 /秒。因此,沙尔林的成绩被判无效。

那么,平均风速及分速又是怎样影响运动成绩的呢?

某地区、某段时间内空气流动的平均速度叫做平均风速(V),它在跑道直道方向上的分量(Vt),就是《规则》中指出的平均风速的分速。我们知道,空气会从气压高的地方流向气压低的地方,各地区的风向、风力也会随时间变化。物理学告诉我们,力是改变物体运动状态的原因。运动员在跑进过程中,除了受到重力的作用外,还受到跨步时脚蹬离地面的反作用推进力(严格地说,是受到地面支撑力和静摩擦力的合力影响)。前者是个恒力,而后者是个间断作用的瞬时力,运动员的跑进就是在这两个力的共同作用下实现的。

如果在运动员跑进的方向上出现其他力的作用,显然会影响其跑进速度。这些所谓的其他力,一般是可以避免的,只有空气阻力与风力是避免不了的。空气阻力在运动员跑进时总是存在,并且跑得速度越快阻力就越大。但是当顺风时,风速越快阻力就越小。因此,运动员在顺风中跑进时,不仅身后有了风力的帮助,而且身前又少了空气的阻力。这一加一减对运动员的帮助甚大,可使运动成绩提高较多。反之,就会明显地降低运动成绩。

为了统一田径比赛的标准,《规则》中对平均风速及分速加以明文规定。由此可见,沙尔林的成绩有外力影响,不予承认也是理所当然的。


双臂摆动有什么学问

短跑名将奥廉斯在一次国内比赛中获得百米冠军,但其后成绩提高并不快。后来,教练发现他的主要问题是双臂摆动成“八”字形,一直难以纠正。

一天,教练严肃地要他与自己的儿子比赛百米短跑。比赛分三次进行,第一次要求奥廉斯的双臂屈起抬平后,采用同时前、后摆的姿势跑步;第二次要求他采用屈臂同向左右横摆的姿势跑步;第三次要求他采用直臂前后摆动的姿势跑步,而教练则要求他的儿子每次都用正确的摆臂姿势跑步。结果,奥廉斯三次败北。从此,奥廉斯纠正了摆臂姿势,他的短跑成绩也开始突飞猛进,在各种国际比赛中率创佳绩。

那么,什么才是正确的摆臂姿势?它在短跑中又为何如此重要呢?我们知道,跑步动作主要是靠腿来完成的,即抬腿前摆、落地支撑、迅速后蹬和腾空跨步。但人体是个整体,除了腿的动作外,还需要由双臂配合双腿动作协调摆动,维持身体平衡,确保运动员用全部力量推动身体重心向前迅速移动。因此,正确的摆臂姿势应是以肩为轴的屈臂前后交替动作。

奥廉斯采用第一种双臂同时前、后摆的方式,使人体的重心一会儿向前进,一会儿向后移。这样不仅影响了身体的平衡和重心的前进速度,而且还使腿的后蹬动作紊乱,直接减弱了腿部后蹬的力量。第二种双臂同向左右横摆的方式,也会在跑进过程中使人体重心左右晃动,减缓跑进速度。第三种用双臂直摆的姿势,对重心运动的影响不大。但是,急跑时双腿的跨步频率较高,直臂摆动的频率完全落后。这时,双臂摆动不仅不能起促进作用,反而会干扰和阻碍前进。另外,直臂激烈摆动非常消耗体力,这将直接影响运动员的成绩。根据物理学原理,有规则形状的均匀物体,它的重心位置就在其几何中心上,且随物体形状的改变而改变。它可以在物体的体内,也可以在体外。人体在活动时,重心位置是不固定的。因此运动员想要跑得快,就必须使身体重心在跑进过程中沿一定的直线或弧线迅速运动。这样,就需要双腿的跨步动作来推进重心运动,同时摆动双臂协调配合。


跑里圈与外圈谁吃亏

威尔逊与汤姆本都是出色的田径运动员,可是在一次地区性的运动会上,两人都在擅长的400 米竞赛中名落孙山。

他们在分析失败原因时互相埋怨。威尔逊认为跑里圈弯小,容易发挥速度,几个弯一拐就可以把外圈的人甩下一大段了。因此,他认为这次汤姆失利是不应该的。而汤姆却认为跑外圈弯大,容易跑出水平,并且有一定的“前伸数”,起跑时就可以遥遥领先。因此,他认为这次比赛中威尔逊败阵是没有理由的。他们为这件事争执了好一阵子。最后,教练帮他们做了分析和解释。


先看跑程问题。径赛中各个项目只有在相同的跑程下,才能测量时间、跑速,分出名次。200 米以上的分道跑的长度同样需要相等。由于各道的弯道半径不同,才在各道出现了不同的“前伸数”。外圈弯道的弧线最长,因此它的“前伸数”也最大,并且从外向里“前伸数”依次减少。跑道上各道直道部分是等长的,因此各弯道部分的实际长度也是等长的。从这点来看,跑里圈的人并不吃亏,跑外圈的人也不能“先人一步”。因此,汤姆的观点是没有根据的。再看弯道跑的要求。运动员在弯道上的跑进可以看作是匀速圆周运动。在物理学中,作匀速圆周运动的物体必然受到向心力的作用。同一物体的运动速度越大,其向心力也越大。在速度相同的情况下,向心力的大小与圆周运动的半径成反比,即半径越大,物体的向心力就越小。弯道跑运动员在跑进时都需要通过让身体适当倾斜来获得向心力,跑里圈的需要比跑外圈的身体更倾斜一些,以便获得较大的向心力。然而,由于最里圈与最外圈的半径相差不大,因此同样速度跑进时,其向心力也相差不大。经过粗略计算,质量均为60千克的两名运动员,在标准400 米跑道上的第1 道和第6 道,均以6 /秒的速度跑进,则在这两圈上他们将分别需要6.1 千克()5.2 千克()的向心力。这样大小的向心力对于一般运动员来说,是可以通过自身倾斜后轻松获得的。所以,威尔逊的观点是一种错觉。

因此总的来看,在跑步比赛中,跑里圈和外圈的人,并不存在实际差别,可能更多的是一种心理上的优劣势。生命在于运动。我们知道,任何优异的运动成绩都与刻苦锻炼密不可分,跑步也不例外。如果能够掌握一些科学的运动方法,或许能帮助我们事半功倍!

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