淺析體育運(yùn)動(dòng)中的物理知識(shí)

楊　巍

體育運(yùn)動(dòng)與物理學(xué)有著密切的關(guān)系，下面就著重分析一下最常見的體育活動(dòng)中跑步與行走的力學(xué)知識(shí)。

先介紹行走與跑步的原理。假定一個(gè)人正在用一只腳站立著，而且假定他用的是右腳?，F(xiàn)在，假定他提起了腳跟，同時(shí)把身體向前傾，這時(shí)候，從他的重心所在的豎直線自然要越出腳的底面的范圍，人也自然要向前跌倒；但是這個(gè)跌倒還沒(méi)有來(lái)得及開始，原來(lái)停在空中的左腳便很快移到了前面，并且落到了從重心所在的豎直線前面的地面上，使從重心所在的豎直線落到兩腳之間的面積中間。這樣一來(lái)，原來(lái)已經(jīng)失去的平衡恢復(fù)了，這個(gè)人也就前進(jìn)了一步。這個(gè)人自然就是這樣停留在這個(gè)相當(dāng)吃力的狀態(tài)，但是假如他想繼續(xù)行進(jìn)，他就得把身體更向前傾斜，把從重心所在的豎直線移到支點(diǎn)面積以外，并且在有跌倒傾向的同時(shí)，重新把一只腳向前伸出，只是這一次要伸的不是左腳，而是右腳——于是又走了一步，就這樣一步一步走下去。因此，步行實(shí)際上是一連串的向前傾跌，只不過(guò)能夠及時(shí)把原來(lái)留在后面的腳放到前面去支持罷了。讓我們把問(wèn)題看得更深入一些，假定第一步已經(jīng)走出了，這時(shí)候右腳還跟地面接觸著，而左腳卻已經(jīng)踏到了地面。但是只要所走的一步并不太短，右腳腳踵應(yīng)該已經(jīng)抬起，因?yàn)檎怯捎谶@個(gè)腳踵的提起，才使人體向前傾跌而破壞了平衡。左腳首先是用腳履踏到地面的。當(dāng)左腳的整個(gè)腳底已經(jīng)踏到地面的時(shí)候，右腳也完全提到空中了，在這同時(shí)，左腳的膝部原來(lái)略微彎曲的，由于大腿骨三頭肌的收縮就伸直了，并且在這一瞬間成豎直狀態(tài)。這使得半彎曲的右腳可以離開地面向前移動(dòng)，并且跟著身體的移動(dòng)把右腳踵恰好在走第二步的時(shí)候放下。接著，那左腳先是只有腳趾踏著地面，立刻就全部抬起到空中，照樣地復(fù)演方才那一連串的動(dòng)作。

奔跑和步行的不同，在于原是站立在地上的腳，由于肌肉的突然收縮，就強(qiáng)力地彈了起來(lái)，把身體拋向前方，使身體在這一瞬間完全離開地面。接著身體又落到地上，但是已經(jīng)由另外一只腳來(lái)支持了，這只腳當(dāng)身體還在空中的時(shí)候已經(jīng)很快地移到了前方。因此，奔跑是一連串的從一只腳到另一只腳的飛躍。

平時(shí)看田徑比賽的時(shí)候，我們都會(huì)羨慕那些隨風(fēng)疾馳的體育健兒，感慨自己身體素質(zhì)太差。其實(shí)體育健將們除了優(yōu)秀的自身素質(zhì)外，也離不開專業(yè)的訓(xùn)練。而我們?nèi)绻苷莆諟?zhǔn)確的動(dòng)作，速度也能提高不少。因?yàn)榕懿街杏泻芏鄬W(xué)問(wèn)。

跑是不斷重復(fù)的周期性運(yùn)動(dòng)。波動(dòng)的速率與頻率及波長(zhǎng)的關(guān)系如下式：速率=頻率×波長(zhǎng)。同理，跑的速率與步頻(每秒鐘所跑的步數(shù))和步長(zhǎng)(每跑一步的距離)的關(guān)系如下式：速率=步頻×步長(zhǎng)。要增大跑的速率，就要設(shè)法增大步頻和步長(zhǎng)。例如一短跑者平均步頻為每秒4.6步，平均步長(zhǎng)為1.8米，早其平均速率為8.28米／秒。如果以此速率跑100米，就要12.077秒。

設(shè)有體力相同的A、B兩人，分別采用兩種跑步方式：(a)的起步角較(b)為大，則(a)每跑一步由于把身體升得較高，要費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間才能著地跑一下步。這樣，步頻自然較小。另一方面，由于(a)的起步角較大，升高身體的分速度較大而水平向前的分速度較小，故步長(zhǎng)就較短。故(a)跑得比(b)為慢。每跑一步的速度，是由前一步保留下的速度(慣性)以及下一步有力后所補(bǔ)充的速度的向量和。每跑一步所補(bǔ)充的速度，同由腳向蹬地面而獲得。腳后蹬的力為F，則地面也給人體一個(gè)大小等于F的反作用力，人體由于這個(gè)力在后蹬時(shí)間內(nèi)獲得補(bǔ)充的速度。F與地面的夾角a叫做后蹬角。F可分解為F，和F2兩分力。F1使人獲得水平前進(jìn)的加速度，而F2則獲得垂直上升的加速度。后蹬角a決定F1和F 2的分配。后蹬角不應(yīng)過(guò)大，否則力量F用在升高身體太大而用在前進(jìn)太小，這就減小了步頻和步長(zhǎng)。短跑的后蹬角應(yīng)在52°—60°之間，視體力與技術(shù)而定。完成后蹬動(dòng)作之后，人體就向前拋騰一步。接著，另一腿由擺動(dòng)腿轉(zhuǎn)為支撐腿而著地，這動(dòng)作叫做前蹬。前蹬地面的力R和地面的夾角B叫做前蹬角。人腳受到地面的反作用力和R大小相等而方向相反。前蹬時(shí)，應(yīng)腳掌著地，以減小作用力R。R是斜向后的，會(huì)減小前進(jìn)速度。因此，前蹬角β宜大，也就是腳掌不要太早著地，要擺至接近身體下方才著地，這就要以減小R向后的分力。

生活中運(yùn)動(dòng)知識(shí)無(wú)處不在，只要我們有一雙善于發(fā)現(xiàn)捕捉的眼睛，一個(gè)勤于思索的大腦，那么我們就能用心體會(huì)到體育運(yùn)動(dòng)與科學(xué)知識(shí)帶給我們的奇妙與樂(lè)趣。