体育运动中的力学原理

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1、体育运动中的力学原理010722精仪12王夏伟——简析空中转体的原理相信大家在体育比赛中都看到过运动员腾空跃起的美妙动作。如体操，跳水，跳高，蹦床等等。特别是在体操和跳水两个项目中，空中的动作更是令人眼花缭乱，美不胜收。那么，我们在欣赏力与美完美结合的同时，有没有想过这空中动作的力学原理呢？而这却是让许多科学家为之迷惑了很久的一个问题。现在，就让我带您一同去看看那其中的奥妙吧！为了方便描述人体在空中的姿态，我们先引入几个名词，如下图：当人体处于直立状态时，通过人体重心连接头脚的直线称为纵轴，通过重心垂直于人体纵对称面的轴称为横轴，与这二轴垂直的称为矢状轴，三轴的正向如图所示。我们

2、先来看看跳水运动中的向前翻腾半转体的动作，如下图4体育运动中的力学原理010722精仪12王夏伟跳水运动员在离开跳板时，利用身体略向前倾使跳板反力通过重心的后面来获得一个向前翻腾的初始动量矩，它平行于横轴，因而人体似乎不能绕纵轴转体。但接下来运动员屈体，并将上半身扭转90。再伸开两臂成图中的姿态，在这个过程小，由于下体对上体纵轴的转动惯量大，故双腿的反方向转动很不明显。以后再利用伸开双臂的上体对纵轴的转动惯量大来扭转下体，再收臂，最后到达图中的姿态准备入水，这时人体已完成了180℃的转体动作。这是一个比较简单的转体动作，下来我们将定量的研究一下体操运动员的空中转体空翻动作。体操运

3、动员的空翻动作1972年日本运动员冢原光男在第20届奥运会上第一次完成了单杠后空翻体360℃下的精采动作，荣获奥远会单杠冠军，开创了体操运动个翻腾动作的新阶段。（如图）体操或跳水运动中，身体绕横轴的转动称为空翻(如前空翻，后空翻)，身体绕纵轴的转动称为转体或旋转，也简称旋(如左旋、右旋)。在冢原光男以前，单杠的下法就只有空翻动作，没有转体。自从他完成了空翻加转体的动作后，各国远动员纷纷研究并实践，创造出了许多“旋空翻”的动作。现在的高水平运动会上，形形色色的旋空翻动作比比皆是。怎样才能实现旋空翻呢?最容易想到的方法是在腾空的初始时刻获得绕纵轴的角速度，这格在腾空以后，由于动量矩守

4、恒，身体就有可能继续绕纵轴转动。至于绕纵轴的初始角速度，则可通过腾空开始前身体受到绕纵轴的不对称力而获得。例如，在跳水运动中，起跳时一脚在前一脚在后；在单杠运动中，让两手在不同的时间脱杠。这种从腾空一开始就有的转体运动称为“早旋”。早旋的技术原理简单但难于掌握，例如单杠运动中双手脱扛的时间差就很难控制；此外，由于腾空前受力的不对称，运动员质心的运动也难于保证在预定方向。另一种实现旋空翻的办法是在腾空的初始阶段只有绕横轴的空翻，但通过手臂的动作在空中发起旋转，这种族转又名“晚旋”4体育运动中的力学原理010722精仪12王夏伟。仔细观察上图就会发现，运动员的旋转是在空翻一周以后才开

5、始的。晚旋的方法比早旋容易掌危空中的翻腾动作也更加优美、精彩，然而它的力学道理却不简单。腾空过程中，整个身体的动量矩守恒，且平行于横轴。怎能产生绕纵轴转动的角速度呢？国内外的学者对此问题有不少探讨然而并不是都找到了正确的答案。有的资料上说；“后空翻转体是身体腾空以后才做转体动作，也就是说，它完全靠肌肉内力来造成身体绕垂直轴的旋转。完成转体有两个动作要领：(1)用力转头。腾空以后向转体方向快速用力转头是产生身体沿垂直轴旋转的第一个动力来源(因为)头的转动必然带动躯干的转动。……(2)反向挥臂，形成力偶。在用力转头的基础上，用力挥臂以带动转肩，是加速躯干沿垂直轴转动的第二个动力来源。

6、……反向挥臂动作，挥臂的两个力方向相反，围绕总重心的垂直轴形成了力偶，因此它能进一步加快身体转动的角速度。”这种解释就值得怀疑，因为第—；身体的内力只能改变身体各部的相对运动，无法解释整体绕纵轴的转动；第二，在动量矩守恒情况下，头、双臂的转动只能引起身体其他部分的反向转动，而不会带动它们同方向转动。其实，只要正确运用动量矩定理，旋空翻的力学机理也是不难弄清的。设运动员有绕横轴的初始角速度及初始动量矩，在整个翻腾过程中，动量矩守。为了空中发起旋转，运动员挥动双臂图—3所示。图—3由于绕矢状轴的动量矩为零。这时运动员的纵轴将有一微小转角，其方向与双臂动的方向相反。于是动量矩在纵轴上有

7、投影因而产生身体绕纵轴的旋转角速度。如果将图—4体育运动中的力学原理010722精仪12王夏伟3所示的人体刚化，看成一个以Z为称轴的对称刚体，则应用一些刚体绕定点运动的知识就能清楚地分析运动的特征。将总角速度沿G与Z轴分解得及，则人体的运动就可看成是人体纵轴绕G的转动(即空翻)及人体绕纵轴的单方向转动(即旋)的合成，两种转动的角速度大小分别为及此外，如忽略由领臂动作引起的转动惯量的变化，由图—3还可定量解出：,,,所以，……………………………………◎当运动员直体时，约有，；当运动