用中學(xué)物理知識(shí)淺析悠悠球基本運(yùn)動(dòng)原理

王冠森

【摘要】悠悠球運(yùn)動(dòng)中的最基本的動(dòng)作拋球、收球，體現(xiàn)了最基本且有趣的物理知識(shí)。玩悠悠球既有創(chuàng)造性又加強(qiáng)分析能力，與學(xué)習(xí)物理有很大的聯(lián)系。很多同學(xué)學(xué)不好物理，如果能把物理和平時(shí)的游戲結(jié)合起來，您保證既學(xué)的好又玩的好！

【關(guān)鍵詞】悠悠球；基本運(yùn)動(dòng)原理；物理知識(shí)

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）28-0068-02

我最喜歡的運(yùn)動(dòng)就是悠悠球。悠悠球是一種古老的玩具，具有悠久的文化歷史。史書上關(guān)于悠悠球的最早記錄是公園500年前的希臘。無論是從早期的狩獵動(dòng)物和個(gè)洞的工具的功能，還是有貴族轉(zhuǎn)悠玩具發(fā)展到表演甚至大眾流行，它都反映了歷史的發(fā)展，凝結(jié)了人們智慧的結(jié)晶。

我喜歡悠悠球的原因，不光是悠悠球的玩法及招式具有趣味性和創(chuàng)造性，還因?yàn)樵谕嫠５倪^程中，我發(fā)現(xiàn)了悠悠球的很多招式與物理有很大的關(guān)系。舉個(gè)最簡單的例子吧，接觸或觀看過悠悠球表演的人，都知道最入門的初級(jí)動(dòng)作就是把球拋出去再收回來。這個(gè)看似簡單的動(dòng)作就包含了很多物理知識(shí)。下面我對(duì)此做簡要的分析。

第一個(gè)問題，球被投擲出去后，為什么能夠收回來？

這一現(xiàn)象涉及到摩擦力、離心力的應(yīng)用。

初學(xué)者用的球是離合器型球，這種球的收球則是內(nèi)部的彈簧在起作用。球旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，球體內(nèi)部軸承兩邊的連有重物的彈簧被甩開，帶動(dòng)橡膠圈也向外微妙的移動(dòng)，這就是離心力的作用，于是棉線與球體沒有任何摩擦，而當(dāng)速度減慢的時(shí)候，離心力變小，彈簧及重物逐漸恢復(fù)回原來的位置，夾住中軸，球就被收回了。

鼓型球是這樣的：球投擲出去后，會(huì)垂在線的另一端做高速的旋轉(zhuǎn)，由于球本身具有的重力，這時(shí)候球拉著的線是繃直的，因此線與球體之間沒有任何摩擦，如果不去施加外力，球會(huì)停在空中旋轉(zhuǎn)很長時(shí)間不會(huì)自己收回來。那么想把球收回來，要做的動(dòng)作就是把手向上提，這時(shí)候，原本繃直的棉線就被向上拉，線會(huì)產(chǎn)生很多小彎曲，與球體之間接觸摩擦，球就被提了上來。

第二個(gè)問題，球被投擲出去后，為什么會(huì)高速的旋轉(zhuǎn)？

首先您要知道悠悠球的特殊構(gòu)造是保證球能轉(zhuǎn)起來的基礎(chǔ)原因。悠悠球的中軸和兩邊的球瓣不是一體的，軸和球瓣之間有一圈小滾珠，因此軸和球瓣可以分別運(yùn)動(dòng)。除了4A球，其它悠悠球在玩的時(shí)候都是球軸和繩套在一起的。發(fā)球之前，繩的一端在球軸上套好，另一端套在中指上。把繩子從球軸的一端一圈一圈的纏繞好，一直纏到中指。發(fā)球時(shí)，要用適當(dāng)?shù)牧Π亚蛩Τ鋈ィ@時(shí)候，繩子在球的牽引之下展開了，繩的另一端被中指牽著，于是球軸被牽住不轉(zhuǎn)，而球瓣自己轉(zhuǎn)動(dòng)起來。也就是說，如果球軸與球瓣連接的地方出了問題，球就無法自轉(zhuǎn)了。

下面我從動(dòng)作原理方面來解釋，這是我們高中學(xué)過的功與能的轉(zhuǎn)換，以及動(dòng)能、勢能之間轉(zhuǎn)化的問題。

物體都具有勢能，同一物體位置越高，勢能越大。當(dāng)球在我們手中被舉高的時(shí)候，它是存在重力勢能的，人體中有化學(xué)能，用一定的力量投擲的時(shí)候，化學(xué)能和重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。由于繩子有一定的粗細(xì)，所以繩子對(duì)球拉力的作用點(diǎn)不在球的質(zhì)心上，使球產(chǎn)生一個(gè)角速度，球即進(jìn)入了高速自轉(zhuǎn)狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為“睡眠”。關(guān)于這個(gè)問題還有更有趣的事情，早在1985年，悠悠球第一次被帶到太空做實(shí)驗(yàn)，被發(fā)現(xiàn)在太空，如果手不用力向下仍，球即無法旋轉(zhuǎn)又無法收回，因?yàn)闆]有引力。因此在地球上也一樣，悠悠球的轉(zhuǎn)動(dòng)主要來自投擲的力量，只有少部分是靠重力勢能轉(zhuǎn)化而來，這也證明了我們投擲的力度大小和球的空轉(zhuǎn)速度及時(shí)間長短都是有關(guān)系的。

第三個(gè)問題，如何讓悠悠球保持更長時(shí)間的空轉(zhuǎn)？

廣告中的悠悠球介紹，都說球的空轉(zhuǎn)時(shí)間可以達(dá)到十分鐘甚至更長，但是初學(xué)者通常只能讓球保持一分鐘的空轉(zhuǎn)，很多人都以為這是因?yàn)橛昧^小，也有人認(rèn)為這是商家在胡說八道，實(shí)際上，主要原因是悠悠球的球繩是由一根繩子疊合后，兩股繩交錯(cuò)擰在一起形成的，在空轉(zhuǎn)時(shí)無法保證球繩的兩股繩卷緊的程度恰到好處，這時(shí)球繩就會(huì)有自發(fā)卷緊或卷松的趨勢。由于繩子是一個(gè)繩圈套在球上的，繩子會(huì)對(duì)球產(chǎn)生兩個(gè)水平方向的力，這兩個(gè)力等大反向，但不作用在一條直線上，使悠悠球產(chǎn)生類似陀螺進(jìn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，使球歪斜，為了使球保證長時(shí)間的空轉(zhuǎn)，應(yīng)該用手抓住球上方的一小段繩子，根據(jù)球的歪斜方向，調(diào)整繩子的松緊程度，保證球在一個(gè)豎直的狀態(tài)，這樣就能長時(shí)間空轉(zhuǎn)，甚至在使球僅靠重力下落的時(shí)候，空轉(zhuǎn)達(dá)到3分鐘以上。

其實(shí)悠悠球還蘊(yùn)含了更多復(fù)雜的物理原理，比如說，它利用視覺暫留效果提高了觀賞性；在5A玩法中，人們要利用圓周運(yùn)動(dòng)的向心力平衡；在一些難度較高的招式中，需要利用繩子本身的張力來完成繩圈的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)；或者利用繩子之間的摩擦力故意讓繩子卡在球軸上。在悠悠球的設(shè)計(jì)方面，人們會(huì)為了提升悠悠球的空轉(zhuǎn)和穩(wěn)定性，改變球的質(zhì)量分布，也會(huì)在球上設(shè)計(jì)一些凸起或凹陷，使球可以被頂在指尖保持穩(wěn)定，使球與手指的接觸位置保持在一定范圍內(nèi)，這樣就可以完成一種非常神奇的玩法--頂指。這在球的設(shè)計(jì)上就需要應(yīng)用很多復(fù)雜的物理原理。

悠悠球的發(fā)展現(xiàn)在越來越好，2018年將在中國舉行世界悠悠球大賽，日本正在為悠悠球申奧，我們應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，多了解悠悠球的有關(guān)知識(shí)！