体育中的物理知识

体育中的物理知识

情景扫描（人物事件的描述）

机械运动是自然界中最简单、最基本的运动形态。各种各样的机械运动随处可见；在我们从事体育活动时，我们不仅让体育器材做着各种运动，我们自己也在不停地进行着机械运动。我们运用运动学知识不仅可以来解释很多的运动现象，还可以指导我们从事各种运动，以达到更好的运动效果：

在游泳池里我们如何获得前进的动力？短跑为什么要采用蹲踞的姿势？在运动场上和实力相当的对手进行拔河比赛时，如何才能做到稳操胜券？在推铅球时如何才能推得更远？等等。

动感地带（设计的问题）

一年一度的全校运动会就要开始了，传统的拔河比赛将率先举行，从同学的身高体重来看，各个班都差不多，力气也应大小相当，如何才能在势均力敌中胜出？这是我们在准备比赛的过程中首先应搞清楚的。

问题1：拔河比赛比什么？是哪边拉力大哪边赢吗？

问题2：我们在拔河时，我们向前运动还是向后运动由什么因素决定？

问题3：比赛中，我们所受的摩擦力大小与哪些因素有关？如何增大摩擦力？

十几位同学如何用力合力才最大？

实践活动（安排活动）

问题1：

理论分析：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。

问题2：

理论分析：把一队拔河的同学视为整体，分析他们的受力情况：竖直向下有重力，竖直向上是地面的支持力。水平方向上有绳子拉力和地面的摩擦力。队伍向前运动还是向后运动取决于绳子拉力和地面的摩擦力哪个大。当拉力大于摩擦力，人就向前运动；当摩擦力等于拉力人保持静止。摩擦力不可能大于拉力，那如何实现向后倒，把对方拉过来呢？

模拟拔河：找两位同学代替两队进行比赛，从旁边进行观察和分析。

当两位同学力气悬殊时，力气大的同学很轻松就可以把力气小的同学拉过来：他可能是直接收绳子，也可能是边拉边移动脚步。但当两位同学力气相当时，问题就不是这样简单：当摩擦力等于拉力人保持静止，这时获胜者的脚在原地不动，他是利用腰腹力量身体向后倒，把对方拉过来，在对方身体前倾不方便发力时，再向移动脚步使自己的身体变为好发力原姿势，重复前面的过程，逐渐将对方拉过来而获胜。

问题3：

理论分析：摩擦力的大小与正压力的大小和接触面的粗糙程度有关：正压力的越大、和接触面的越粗糙摩擦力就越大。为了增大摩擦力就必须让体重大的同学来比赛，以增大正压力；同时应鞋底粗糙的鞋子。

模拟拔河：找两位力气相当同学用各种姿势进行比赛，从旁边进行观察和分析。

在比赛过程中绳子并不会总是处于水平状态，当绳子处于倾斜状态时，则绳子的拉力会改变同学对地的压力：会使绳子高端的同学对地压力增大，而绳子低端的同学对地压力减小。并由而影响到最大静摩擦力。所以比赛时姿势很重要。

当有十几位同学组成一支队伍时，技巧会显得更加重要：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，这样大家相互配合同时用力效果会更显著。再如，再如大家用力方向一至会使合力达到最大。

在游自由泳时，下肢怎样获得推进力？

推铅球什么夹角推得最远?

他山之石（用别的材料来作引证）

推铅球出手仰角应该是45°吗？

想一想

推铅球要推得远，出手的仰角应采用45°吗？还是较45°小些或大些？

许多中学物理教科书中，都讨论过样的问题：

设一抛体以一定的速率斜向抛射，如果空气阻力可以忽略，则它落回同一水平时，其水平距离以仰角为45°时为最大。

但是，推铅球的抛掷点不是在地面上，而是离地一段高度h，如图所示。图中表示，以同一出手速率作45°及40°仰角抛掷，当落回抛掷点同一水平时，水平距离以45°者较大。但是，当它们落到地面时，水平距离却以40°者较大。

通过复杂的计算，获得以下的结论：扒铅球欲得最大的距离，其出手的爷角应小于45°，这角度随出手速度的增大而增大，而随出手高度的增大而减小。对出手高度为1.7米～2米，

而出手速度为8～14米／秒的人来，出手仰角应为38°～42°。准确数字可从体育理论中由曲线查得。

至于其它掷类，受空气的作用力影响较大，各有不同的最佳仰角。例如掷铁饼为30°～35°；标枪为28°～33°；链球为42°～44°。

在游自由泳时，下肢怎样获得推进力？

想一想

作自由泳时，下肢是上下打水，为什么可能获得向前的推进力？试用分力的概念说明。

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。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。

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，人体就向前抛腾一步。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。

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。

车在启动时为何要先倒车

在火车站你经常会听到“咣当”、“咣当”的声音，这是火车启动时车厢与车厢之间的挂钩碰撞而发出的。火车司机开动很重的火车时，总是光倒车，使车往后退一下，再往前开车。这样就容易使火车开出。这是为什么呢？

在通常情况下，若火车各节车厢之间的挂钩拉得很紧。牵引力必须克服整列火车与铁轨的最大静摩擦力才能启动。当火车很重时，最大静摩擦力很大，启动困难。

若司机先倒车，可使车厢之间的挂钩松弛，再往前开动时，车厢是逐节被启动的。当第一节车厢被启动时，只需克服第一节车厢的最大静摩擦力，所需的牵引力小；当第二节车厢启动时，只需克服第二节车厢的最大静摩擦力和第一节车厢的滚动摩擦力，由于滚动摩擦系数小于静摩擦系数，即滚动摩擦力小于最大静摩擦力，所需的牵引力小于同时启动两节车厢的最大静摩擦力。依此类推，当最后一节车厢被启动时，只需克服最后一节车厢的最大静摩擦力和前面车厢的滚动摩擦力，所需的牵引力小于整列火车的最大静摩擦力，因此容易使火车开出。

ABS是一项在80年代末才兴起应用的新技术，现在已经成为一般轿车的必装件了。据统计，汽车突然遇到情况发刹车时，百分之九十以上的驾驶者往往会一脚将刹车踏板踩到底来个急刹车，这时候的车子十分容易产生滑移并发生侧滑，即人们俗称的“甩尾”，这是一种非常容易造成车祸的现象。造成汽车侧滑的原因很多，例如行驶速度，地面状况，轮胎结构等都会造成侧滑，但最根本的原因是汽车在紧急制动时车轮轮胎与地面的滚动摩擦会突然变为滑动摩擦，轮胎的抓地力几乎丧失，此时此刻驾驶者尽管扭动方向盘也会无济于事。针对这种产生侧滑现象的根本原因，汽车专家就研制出车用ABS这样一套防滑制动装置。

汽车防抱死制动系统有许多类型，现在常见是四通道ABS系统和三通道ABS类型。这些类型的防抱死制动系统的传感器通过检测车轮的转速以调整液压来防止车轮抱死。

有人以为汽车装配ABS就以为开车可以随意性，盲目开快车也不怕，这是非常错误的认识。汽车安装了ABS在制动的效果方面比没有安装ABS理想，这是肯定的，但ABS也只能在一定的条件下，才能充分发挥它的作用。例如在湿滑的道路上突然刹车，ABS系统可以使驾驶员能够保持车辆行驶平稳，在较短的距离内将汽车刹住。但在不湿滑的路面上，一般不能缩短刹车距离，但可以减少和避免“甩尾”现象。路面的测试研究表明，在沙石路或其他松软的路面上，ABS系统甚至会增大车辆的刹车距离，因为刹车距离的长短与路面的摩擦系数和轮胎有关。因此，为了有效减小刹车距离，许多汽车上都安装有EBD（Electric Brakeforce Distribution），中文译“电子制动力分配”。EBD在ABS动作之前巳经根据车辆载荷平衡了车轮的地面抓地力，对后轮的制动力进行合理分配，可以有效地缩短汽车制动距离，实际上起到ABS的增补功能。因此许多汽车都有“ABS＋EBD”的装置，改善和提高ABS的功效。

现在汽车装配的ABS是一种电控装置，它只能机械地按照巳经编制好的程序来执行动作。如果驾驶者不了解ABS的功能，很可能事与愿违。汽车制动时ABS用点刹方式可以防止车辆在制动时丧失转向能力，起到控制车辆制动状态时的作用。但根本起到操纵作用是驾驶者，当驾驶者在紧急情况下猛踩制动踏板的同时又急扭方向盘（许多经验不足或惊慌失措者的本能动作往往是急扭方向盘）。如果车辆没有安装ABS导致制动系统抱死，对方向盘的过激反应就不会起作用，此时驾驶者不能通过方向盘来控制车辆移动的方向；但如果安装了ABS系统让驾驶者能够控制方向盘，那么在慌乱的情况下对方向盘的过激反应就会使情况变得更糟。由于突然急扭方向盘，往往会令汽车突然产生侧滑而发生事故。美国高速公路安全管理协会（NHTSA）通过测试认为，安装有ESP对驾驶者控制车辆可以有很大帮助。ESP （电控行驶平稳系统，英文全称Electronic Stabilty Program）包含ABS及ASR，是这两种系统功能上的延伸，它能防止车轮在制动时抱死和在启动时打滑。ESP不断地测检车辆的行驶状态，当发生紧急情况时它会迅速反应，通过液压调节器调节每个车轮的制动压力和干预发动机的牵引力，以降低车辆的侧滑危险。有研究表明，ESP能使交通事故降低50%。ABS 防抱死系统专题：从ABS到ASR、ESP。

10前年，如果轿车安装有ABS（防抱死制动系统），不但说明该车的安全性能出类拔萃，而且档次也相当高级。今天，安装ABS的轿车已经相当普遍，经济型车也安装有ABS。随着对汽车安全性能的要求越来越高，一些中、高档级的轿车已经不满足于ABS，还安装了ASR（驱动防滑系统，又称牵引力控制系统）或者ESP（电控行驶平稳系统），使汽车的安全性能进一步提高。

ASR的作用是当汽车加速时将滑动率控制在一定的范围内，从而防止驱动轮快速滑动。它的功能一是提高牵引力；二是保持汽车的行驶稳定。行驶在易滑的路面上，没有ASR的汽车加速时驱动轮容易打滑；如是后驱动的车辆容易甩尾，如是前驱动的车辆容易方向失控。有ASR时，汽车在加速时就不会有或能够减轻这种现象。在转弯时，如果发生驱动轮打滑会导致整个车辆向一侧偏移，当有ASR时就会使车辆沿着正确的路线转向。

汽车的牵引力控制可以通过减少节气门开度来降低发动机功率或者由制动器控制车轮打滑来达到目的，装有ASR的汽车综合这两种方法来工作，也就是ABS／ASR形式。

1轮速传感器、2液压调节器、3控制单元（CPU）、4电控油门装置、5节气门

装有ASR的车上，从油门踏板到汽油机节气门（柴油机喷油泵操纵杆）之间的机械连接被电控油门装置所取替。当传感器将油门踏板的位置及轮速信号送至控制单元（CPU）时，控制单元就会产生控制电压信号，伺服电机依此信号重新调整节气门的位置（或者柴油机操纵杆的位置），然后将该位置信号反馈至控制单元，以便及时调整制动器。

ESP（电控行驶平稳系统，英文全称Electronic Stabilty Program）包含ABS及ASR，是这两种系统功能上的延伸。因此，ESP称得上是当前汽车防滑装置的最高级形式。

ESP系统由控制单元及转向传感器（监测方向盘的转向角度）、车轮传感器（监测各个车轮的速度转动）、侧滑传感器（监测车体绕垂直轴线转动的状态）、横向加速度传感器（监测汽车转弯时的离心力）等组成。控制单元通过这些传感器的信号对车辆的运行状态进行判断，进而发出控制指令。

有ESP与只有ABS及ASR的汽车，它们之间的差别在于ABS及ASR只能被动地作出反应，而ESP则能够探测和分析车况并纠正驾驶的错误，防患于未然。ESP对过度转向或不足转向特别敏感，例如汽车在路滑时左拐过度转向（转弯太急）时会产生向右侧甩尾，传感器感觉到滑动就会迅速制动右前轮使其恢复附着力，产生一种相反的转矩而使汽车保持在原来的车道上。当然，任何事物都有一个度的范围，如果驾车者盲目开快车，现在的任何安全装置都难以保证其安全。