拔河比赛中的物理知识

拔河比赛中的物理知识

内容提要：本文主要探讨决定拔河比赛胜负的主要因素。应用物理中的力学知识进行分析、研究并得出结论，拿出取胜的措施和对策。

关键词：研究胜负因素摩擦力牛顿运动定律

一、课题背景

本学期我校举行了全校性的拔河比赛，各班都希望在比赛中拿冠军。那么如何取得冠军呢？决定拔河比赛胜负的决定因素是什么？带着这样的问题，我决定在高一年级各班开展研究性学习，成立研究性学习小组，指导老师由体育老师和物理老师来担任，我们研究的课题就是“拔河比赛中的力学知识”。

二、研究过程

我们知道，决定拔河比赛胜负的因素很多。根据牛顿第三定律，双方分别受到对方的拉力，大小相等，方向相反，那么，为什么还会有胜负之分呢？对于这些问题，我们写出了开题报告。在开题报告中，我将课题研究的目的、实施计划、步骤等进行了详细的叙述。

我将研究过程分为四个阶段进行。

1、收集资料

通过上学校图书室查阅资料以及上网收集资料，我们初步了解了与拔河比赛有关的知识。

2、理论研究

3、我们运用牛顿运动定律、摩擦力、力矩平衡条件等知识，从平动、转动

的角度对拔

河比赛胜负的因素进行了较为详细的研究。

在老师的指导下，通过班上同学的配合，对研究分析得出的结论进行了验证.从而对拔河比赛中的力学知识有了一定的了解，并对如何在拔河中取得胜利有了较为深刻的认识。

4、写出结题报告

在上述工作完成之后，我们将研究过程及结果进行了总结，并写出了课题结题报告。

三、研究结论

为了便于分析，假设甲乙双方均只有一人参加，分别对甲、乙双方进行受力分析，如图所示。

图中设甲、乙二人的重力作用线到立足点的距离分别为a和b,绳高为h，其他各力如图所示。

1、转动分析

2、在甲乙双方拉紧绳子，做好拔河比赛的准备，但开始比赛的号令尚未下达之

前，每一方

都已处于力矩平衡状态。

对甲：M1= -F21h, M2=m1ga,且M1+M2=0

对乙：M3=F12h,M4= -m1gb,且M3+M4=0.

因为：︴M1|=︴M2︱, ︳M3︳=|M4|,且|M1|= |M3|, 所以 |Ｍ2|= |Ｍ4|. 拔河比赛开始后，若甲的身体又向后倾斜一些，其重力力臂a加大，重力矩M

2

增大。为了维持力矩平衡，甲对绳的拉力要增大，由牛顿第三定律可知，绳对甲的拉力相应增大，则绳子张力的增加将导致乙受到的力矩增大。尚若乙尚未改变姿势,即ｂ未变，则|M3|>|M4|，乙的力矩平衡遭到破坏，将以O2为轴向逆时针方向转动。转动开始后，乙的重力臂b逐渐减小,若乙不改变其立足点,身体必然前倾. 为了防止前倾.其立足点必须前移, 以迅速增加其致力臂b, 从而获得较大

的重力矩Ｍ

4,以求与已经增大了的Ｍ

３

取得平衡．但是，即使能达到新的平衡，

乙距决定胜负的分界线的距离也近了一些．可见，重力矩无论对维持力矩平衡，还是对争取胜利都起到一定作用．而重力矩的大小由重力大小和重力臂大小的乘积来决定．因此，同学们应认识到以下两点：其一，拔河比赛的体重越大越好；拔河比赛过程中，在脚下不打滑的前提下，身体越向后倾越好．

２．平动分析

（１）对峙期

在脚下不打滑的前提下，拔河比赛的对峙期，双方都使自己的身体尽量向后倾斜，因此，可近似

认为鞋底与地面之间的摩擦力为最大摩擦力，双方在竖直方向上都处于平衡状态（Ｎ＝ｍｇ），将双方视为一个整体，相互作用力为这一系统的内力，

与整体的运动无关，于是，比赛的胜负就看ｆ

１ｍ和ｆ

１ｍ

这对方向相反的外力

哪个较大。而最大静摩擦力f

1m

＝µN＝µｍｇ，因此，拔河比赛的胜负，主要

由双方队员的总体重以及鞋底与地面之间的的动摩擦因数决定。地面较平滑的一方当然吃亏，因此一个回合之后就要换场地。

（2）、爆发期

在拔河比赛中的对峙期，双方队员除了身体向后倾斜之外，一般身体的重心G都尽量压低，双腿屈折，似蹲似坐。如果突然一方爆发，用力蹬地、迅速挺身时，其重心G向上、向后同时发生位移，而且重心G位移的开始阶

段必然是加速的，设重心G加速的竖直分量为a

y

在竖直方向由牛顿第二定律可知

N-mg=ma

y ，即N=m(g+a)，则ƒ

m

=µN=µm(g+a

y

)>µmg

由此可见，在队员产生向上的加速度的同时，其脚下就获得了更大的最大静摩擦力，只有这个摩擦力大于对方与地之间的最大静摩擦力，身体重心G 的后移也就变为现实，从而加大了重力矩，此后应乘势降低重心，减小拉力矩，适当改变立足点O，作好下次用力蹬地、迅速挺身的准备，需要声明的是，用力蹬地、迅速挺身这一技术动作完成的好坏，主要由身体条件决定。一般来说，身体健壮、肌肉发达、动作整齐者往往占优势，并非获胜的一方对绳的拉力大于失利的一方对绳的拉力。

（２）手与绳子之间摩擦力的大小

拔河比赛时，手与绳子之间不能有相对滑动。设手与绳子之间的静摩

擦因数为µ

0，手握绳子时对绳子的最大压力为N

max

。则手与绳子之间的最大

静摩擦力为µ

0N

max

，当对方对绳子的拉力大于自己的手与绳子之间的最大静摩

擦时，手与绳子之间就会发生滑动，滑动摩擦力又比最大静摩擦力小一些于是对方连同绳子一起向其后方的运动已无法阻止，失败已成定局。因此，要增大手与绳子之间的最大静摩擦力一方面要增大手与绳子之间的静摩擦因数，可在手上擦些滑石粉以增大µ

，另一方面要增大手对绳子的握（力），而握力的大小主要与队员上肢肌肉的发达程度有关。

（３）（4）拉绳的方向

拉绳的力尽量与绳的夹角小些，最好和绳子平行这样就可以增大集体的合力，易于取胜。以上是拔河比赛的主要物理原理。拔河比赛的胜负除了和物理有关之外，当然还与生理和士气有关。

指导教师：章文晋组长：钱程

成员：高一（3）班钱程，金剑波，阮炬杰，罗泽琪，王赛格，田家棋，钟奇杨