《我们爱科学》
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荡着秋千学物理
2011-10-25 09:15:43意想不到
荡着秋千学物理
木 易
那边有个秋千架，走，我们过去玩一会儿。
你会荡秋千吗？
这还用问？我不仅会荡，而且能荡得很高呢。
那你知道荡秋千的科学原理吗？
荡秋千还能有什么科学原理，无非就是动能与势能的互相转化罢了。
如果荡得好秋千会越荡越高，速度也越来越快，这说明它的总能量增加了，那么这些增加的能量从哪里来？
当然来自荡秋千的人啊。如果荡得很高，玩一会人就会很累的，这说明荡秋时人是要消耗能量的。
不错，的确如此。可是，人消耗的能量又是怎么转移到秋千上的呢？
这个……我说不清楚。你说是怎么回事。
这是一个非常复杂的问题。
悠悠荡荡两千年
荡秋千是很多人都喜欢的一项运动。无论是在社区、公园还是游乐场，都可以看到大大小小的秋千架，以及在秋千荡得不亦乐乎的孩子们。
秋千的历史非常悠久。传说它是我国古代北方少数民族——山戎族创造的，于春秋时期传入中原地区。它因为简单易学，深受人们的喜爱，很快就在各地流行起来。最初它的名字叫“千秋”，到了汉武帝时，因为“千秋”与“千秋万寿”这个祝寿词冲突，所以被改为“秋千”。汉代以后，秋千逐渐成为清明、端午等节日里必不可少的民间体育活动。
开始时秋千只有一根绳子，人用手抓着绳子来荡，后来慢慢演化成两根绳加踏板的秋千。到了唐宋时期，秋千成为专供妇女玩耍的游戏，还出现了许多描写荡秋千的诗词。
玩出一堆物理题
秋千的玩法看上去非常简单，无非就是荡来荡去而已。不过，要是仔细探究的话，你会发现这里面其实暗藏了许多玄机。秋千有3种基本的玩法：
第一种，秋千上的人不动，别人把秋千拉到一定的高度然后松手，让秋千自由摆动。在这种情况下，整个秋千相当于一个单摆。在秋千下降的过程中，它的势能逐渐转化为动能，而在秋千上升的过程中，它的动能又逐渐转化为势能。就这样周而复始，直到空气阻力让秋千停下来为止。
第二种，秋千上的人依然不动，由于别人一下接一下有节奏的推动秋千，从而使秋千越荡越高。这个过程看起来也很简单，推秋千的人不断的给秋千施加推力，秋千的动能不断增加，所以也就越荡越高。可是，实际情况比这要复杂一些，因为推秋千的人并不是胡乱地推，而是既要看准时机，又要掌握好节奏。如果配合得好，推秋千的人不需要付出太大的力气，就可以让秋千荡得很高，这其实是一个简单的共振现象。
第三种，不需要别人推，荡秋千的人通过自身的运动把秋千荡起来。很显然，这种情况无法用前面的原理来解释。秋千越荡越高说明它的总能量增加了，可是它又没有受到外力的作用。那么，这些能量来自哪里呢？
秘密都在重心上
毫无疑问，秋千所增加的能量只能来自于荡秋千的人。我们都知道，一个人无论有多大的力气，都不能把抓着自己的衣服把自己提起来。可在荡秋千时，人怎么能把自己给“推”起来的呢？
下面我们来观察一下荡秋千的人是怎样运动的。首先，他要将秋千拉开一段距离，然后迅速登上秋千，这时秋千就能在小幅度内自由振荡，动能、势能不断转化。接下来，他会随着秋千的升降做起立和下蹲的动作。当秋千处在最高点时，他是直立在秋千上的。随着秋千的下降，他会迅速向下蹲，当秋千到达最低点时，他已经完全是蹲下的状态。当秋千开始上升时，他又慢慢地站立起来，并在秋千到达最高点时恢复直立。这样周而复始，荡秋千的人会把秋千荡的越来越高，甚至会荡到水平状态。坐在秋千踏板上，靠摆动双腿也能荡起来。
在这个过程中，能量是如何转移的呢？如果想进行精确的描述，那么这个问题的答案是比较复杂的。简单的说，秘密全在重心上。在人从蹲下到站直的过程中，重心升高了，人要消耗能量；与此相反，在人从站直到蹲下的过程中，重心降低了，刚才人在起立时所消耗能量就要释放出来，这份能量会转移到秋千上，使秋千的摆动速度加快。这样循环往复，秋千的总能量越积越多，秋千也就越荡越高了。
