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【体育与物理】跑步与行走中的力学知识  

来自惊鸿岂止一现   2013-08-09 07:33:06|  分类: 【体育与物理】 |举报 |字号 订阅

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【体育与物理】跑步与行走中的力学知识






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【体育与物理】跑步与行走中的力学知识



 

15955633029;1148631378; xzyggyj@163.com




 

【体育与物理】跑步与行走中的力学知识

    田径运动是体育运动最古老的项目,有“运动之母”的美称。今日的田径运动由田赛、径赛、公路赛、竞走和越野赛组成。田赛分为跳跃、投掷两类项目,跳跃项目:跳高、撑竿跳高、跳远、三级跳远,投掷项目:推铅球、掷铁饼、投链球、掷标枪;径赛项目:短跑、中跑、长跑、接力跑、跨栏跑、障碍跑;公路跑:半程马拉松、马拉松等;竞走项目;全能运动:部分田赛和径赛项目组成。

    田径运动是比速度、比高度、比远度和比耐力的体能项目,因此它是最能体现奥林匹克"更快、更高、更强"的格言。田径运动是奥运会的必备项目,共设46项金牌是奥运会金牌最多的项目,所以有人用"得田径者得天下"来表述田径在奥运会中的地位。

本文将着重分析这种最常见的体育活动——跑步与行走中的力学知识。

       先介绍行走与跑步的原理。假定一个人正在用一只脚站立着,而且假定他用的是右脚。现在,假定他提起了脚跟,同时把身体向前倾。这时候,从他的重心引下的竖直线自然要越出脚的底面的范围,人也自然要向前跌倒;但是这个跌倒还没有来得及开始,原来停在空中的左脚很快移到了前面,并且落到了从重心引下的竖直线前面的地面上,使从重心引下的竖直线落到两脚之间的面积中间。这样一来,原来已经失去的平衡恢复了,这个人也就前进了一步。这个人自然也可以就是这样停留在这个相当吃力的状态。但是假如他想继续行进,那么他就得把身体更向前倾斜,把从重心引下的竖直线移到支点面积以外,并且在有跌倒倾向的同时,重新把一只脚向前伸出,只是这一次要伸的不是左脚,而是右脚──于是又走了一步,就这样一步一步走下去。因此,步行实际上是一连串的向前倾跌,只不过能够及时把原来留在后面的脚放到前面去支持罢了。

让我们把问题看得更深入一些。假定第一步已经走出了。这时候右脚还跟地面接触着,而左脚却已经踏到了地面。但是只要所走的一步并不太短,右脚脚踵应该已经抬起,正是由于这个脚踵的提起,才使人体向前倾跌而破坏了平衡。左脚首先是用脚履踏到地面的。当左脚的整个脚底已经踏到地面的时候,右脚也完全提到空中了,在这同时,左脚的膝部原来略略弯曲的,由于大腿骨三头肌的收缩就伸直了,并且在这一瞬间成竖直状态。这使得半弯曲的右脚可以离开地面向前移动,并且跟着身体的移动把右脚踵恰好在走第二步的时候放下。接着,那左脚先是只有脚趾踏着地面,立刻就全部抬起到空中,照样地复演方才那一连串的动作。

 

 奔跑和步行的不同,在于原是站立在地上的脚,由于肌肉的突然收缩,就强力地弹了起来,把身体抛向前方,使身体在这一瞬间完全离开地面。接着身体又落到地上,但是已经由另外一只脚来支持了,这只脚当身体还在空中的时候已经很快地移到了前方。因此,奔跑是一连串的从一只脚到另一只脚的飞跃。

 

平时看田径比赛的时候,我们都会羡慕那些随风疾驰的体育健儿,感慨自己身体素质太差。其实体育健将们除了优秀的自身素质外,也离不开专业的训练。而我们如果能掌握准确的动作,速度也能提高不少。因为跑步中有很多学问。  

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,则其平均速率为8.28m/s。如果以此速率跑100m,就要12.08s。  

     

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矢量和。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度,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,脚掌应着地,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。

在自然界中,人的速度又如何呢?假如我们把人的正常步行速度去跟行动缓慢的动物,像蜗牛或者乌龟的速度相比,那才有趣哩。蜗牛这东西,确实可以算是最缓慢的动物:它每秒钟一共只能够前进1.5mm,也就是每小时5.4m──恰好是人步行速度的1/1000!另外一种典型的行动缓慢的动物,就是乌龟,它只比蜗牛爬得稍快一点,它的普通速度是70m/h。人跟蜗牛、乌龟相比,虽然显得十分敏捷,但是,假如跟周围另外一些行动还不算太快的东西相比,那就又当别论了。是的,人可以毫不费力地穿越大平原上河流的流水,也不至于落在中等速度的微风后面。但是,如果想跟每秒钟飞行5米的苍蝇来较量,那人就只有用滑雪橇在雪地上滑溜,才能够追得上。至于想追过一只野兔或是猎狗的话,那么人即使骑上快马也办不到。如果想跟老鹰比赛,那么人只有一个办法:那就是坐上飞机。人类发明了机器,就成了世界上行动最快的一种动物。体育活动中物理无处不在,只要我们有一双善于发现捕捉的眼睛,一个勤于思索的大脑,那么我们就能用心体会到物理的奇妙与乐趣。







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