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。