從物理角度看體育項目若干技巧與現象*

張少朋

(河北大學體育教學部 河北 保定 071002)

白英彬

(北京外國語大學附屬蘇州灣外語學校 江蘇 蘇州 215200)

冉俊霞

(河北大學物理科學與技術學院 河北 保定 071002)

1 引言

體育運動中包含了物理運動，知道了這些物理運動的原理就可以提高體育運動中的運動技巧，提升運動成績；也可以解釋體育運動中的一些奇怪現象．下面以幾項體育運動為例來說明體育運動中包含了哪些物理現象．

2 “籃球運動”中包含的物理知識

籃球運動是一項深受大學生和中學生喜愛的體育運動，也是全民健身運動中一項十分重要的體育活動．籃球運動本身是對抗性很強的體育運動，其比賽節奏快、 對抗激烈．其中投籃的命中率是對比賽結果影響的關鍵因素，投籃的基本動作中蘊含著豐富的物理原理[1]．原地投籃練習的時候通過腳蹬地的操作支持力對腳產生沖擊力量，由此出現動量．在腿伸直的運動中，動量會從腳傳遞到腿上，之后還會從腿傳遞到腰腹部上，進而通過手將動量傳遞給籃球，完成動量的傳遞．即投球前的這一系列動作中，其實包含著動量的傳遞．當籃球出手后，忽略空氣阻力的影響，籃球從離開手到進入籃筐所做的是一個有初始速度的斜拋運動．

再比如籃球入籃筐時的最小角度理論上可以是零，但實際上，籃球入筐時的角度肯定要大于零，如圖1所示，如果想讓籃球入筐，入筐時的入射角就不能小于角A，由圖1可知

(1)

將“標準籃球直徑(db) 24.6 cm、籃圈直徑(dr) 45 cm”代入式(1)，可計算出∠A=33.1°．

圖1 籃球與籃筐的位置關系分析

但是物理公式中的數值僅僅能夠表示一個理想范圍，實際投籃中還需要反復訓練，不斷地調整自身運動軌跡與理想范圍接近來提升命中率．

籃球投籃技術動作中蘊涵的物理原理還有很多，在日常訓練和比賽中，如果善于運用，會大大提高投籃的命中率，大幅提高運動員的競技水平和比賽成績．

3 “足球運動”中包含的物理知識

足球運動是一項風靡全世界的運動，研究足球運動中的物理學知識對運動員的訓練和比賽有著積極的指導作用[2]．比如讓足球運動中的“停球”和“傳球”都用到了力學知識．“停球”時用到了“緩沖”，而“緩沖”方式的力學原理就是動量定理、功和能的相互轉化．運動員用緩沖的方法停球時，首先是停球部位向前迎接來球，當停球部位與球接觸后，停球部位以慢于球的速度向后撤， 這里“一迎一撤”的動作延長了球的運動時間和距離，使球的動能轉化為對迎球部位做的功， 由于做功的距離、作用時間都被延長，停球部位受到的沖力也相應減小， 可以避免運動員在接球時受傷．很多運動員就是在“一迎一撤”的動作上沒有做到位， 而導致球被反彈出去或者運動員受傷．“傳球”是運動員的基本功，有長傳和短傳之分，短傳主要用到了物理學中的斜拋運動．長傳中非常有名的 “香蕉球”就是指弧線長傳，此時球在空中的運動軌跡是一道弧線．這要求運動員踢球時對球的作用方向不經過球心，對球產生一個力矩使球在空中高速旋轉飛行， 由于球的旋轉會使相對于球運動的空氣流速不同， 而對球產生“馬格努斯力”．

4 “鉛球”運動中的物理知識

鉛球是體育中考中的一個項目，也是體育比賽中常見的項目．鉛球運動中包含著物理學中的斜拋運動，因此，當運動員將“鉛球”扔出瞬間，鉛球做的是一個有初始速度的斜拋運動，其扔出去的最遠距離是由初始速度的角度、初始速度以及初始高度決定的．而初始高度由于身高的限制，變化不大，初始速度是要經過運動員的反復訓練以提高其力量，因此，掌握鉛球的最佳拋射角就成為提高運動成績的最好突破口．假設出手高度為h，出手點為A，鉛球的落地點為C，A到C的水平距離為x，鉛球的初速度大小為v，出手角度為α，可以列出鉛球的運動方程

x=vtcosα

(2)

(3)

當鉛球落地時，y的值為-h，則根據式(2)和式(3)可以求得鉛球運行的水平距離

(4)

根據式(4)，可以求出x的極值，就可以獲得最佳投擲角度．平常訓練中，以此角度為參考就可以提高投擲成績．

5 “排球”運動比賽中的物理知識

排球運動也離不開物理原理的運用[3,4]，從發球、進攻、接球、傳球、防守都離不開力的作用，比如發球時，運動員先要將球拋出，然后通過不同的方式擊球，并將球準確地發往對方場地，在此過程中涉及到慣性、動量以及力的相互作用等力學原理．再比如接球時，如果想接球接得穩，必須要有一個緩沖，這就是動量定理，即沖量等于動量的變化量，當作用時間t越大時,人受到的力F就越小，緩沖動作減小了沖擊力并積累了彈性勢能．

6 “拔河”運動比賽中的物理原理

拔河運動是人們非常喜歡的休閑體育運動，在拔河運動中，人們主要受到拉力和摩擦力，而比賽的勝負主要由拉力和摩擦力之間的合力決定．要想贏得比賽就一定要增大自身的摩擦力．而摩擦力的大小主要受摩擦系數和正壓力的影響， 所以選擇體重大的運動員，讓其穿摩擦系數大的運動鞋進行比賽，這樣就可以增大摩擦力，贏得比賽．

7 “概率和統計”在體育項目比賽中的應用

在比賽中，經常也會遇到一些意想不到的現象，本來實力懸殊差距較大的兩隊，大家都認為實力強的肯定能勝過實力弱的隊，而結果卻是實力強的隊輸了．這樣的結果其實也是有科學原因的．因為，從概率和統計學的角度來看，統計漲落(誤差)與統計對象的多少有關，統計對象越少，統計漲落(誤差)越大．比如足球比賽中，由于統計對象較少(進球的次數較少)，因此統計漲落較大．所以說，偶然現象也是包含了某些規律的，這種規律造成意外結果．

8 結束語

體育項目中包含的物理原理還有很多，將物理理論運用到實際的體育訓練中，不僅可以指導學生更加高效的訓練，提高體育成績，還可以避免受到身體上的傷害．