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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。

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