體育運(yùn)動中的物理學(xué)論文

齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)論文題目物理定律在體育運(yùn)動中的應(yīng)用E學(xué)院理學(xué)院E專業(yè)班級物理044E學(xué)生姓名韓旭東E指導(dǎo)教師李景堯E成績E摘要物理學(xué)既是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，又是一門應(yīng)用科學(xué)。物理學(xué)的應(yīng)用已滲透到社會生活的各個方面。其中，在體育運(yùn)動中應(yīng)用尤為廣泛。體育學(xué)是一門新興的學(xué)科。除了具有自身的特點(diǎn)之外，它還綜合了多學(xué)科的知識，是一門典型的交叉科學(xué)。它不僅僅適用于競技體育中的摘金、奪銀、為國爭光，還在人們平常的鍛煉和日常的坐、立、行,和如何提高生活質(zhì)量等方面都起到重要作用。本文從體育運(yùn)動中的常用物理定律入手，重點(diǎn)研究了牛頓運(yùn)動定律、動量定理、機(jī)械能守恒定律等在體育運(yùn)動中的應(yīng)用。并實(shí)例分析了投擲運(yùn)動，跳躍運(yùn)動、滑雪運(yùn)動等體育活動。希望通過本文使我們進(jìn)一步了解和掌握物理學(xué)知識，進(jìn)而將其運(yùn)用到體育活動中，對體育運(yùn)動的發(fā)展具有重要意義。關(guān)鍵詞：物理學(xué)；物理定律；體育運(yùn)動；應(yīng)用AbstractThephysicsarenotonlyanempiricalscience,isalsoanappliedscience.Thephysicsapplicationseepedtosociallifeeachaspect.And,isappliesinthesportsespeciallywidely.Thesportsstudyisanemergingdiscipline.Besideshasowncharacteristic,italsosynthesizedthemulti-disciplinaryknowledge,ismodeloverlappingscientificdisciplines.Itsfunctionnotjustisusesinathleticssportspickingthegold,winningthesilver,towinforthemotherland,butalsoliesinthepeopleordinaryexerciseanddailysits,vertical,theline,andhowtoimproveaspectsandsoonqualityoflifetoplaytheinfluentialrole.Thisarticleobtainsfromsports'commonlyusedphysicallaw,hasstudiedtheNewton'slawofmotion,themomentumtheorem,themechanicalenergyconservationrelationswithemphasisandsoonsports'application.Andtheexampleanalyzedhasthrownthemovement,sportsandsooncapermovement,skimovement.Thehopemakesusthroughthisarticletoincreaseunderstandsandmastersthephysicsknowledge,thenutilizesitinthesports,hasimportantmeaningtosportsdevelopment.Keyword:Physics；Physicallaw；Sports；Application目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1選題背景和依據(jù) 11.2課題研究的內(nèi)容 11.3力學(xué)在體育運(yùn)動中的作用 11.3.1競技體育中的力學(xué) 11.3.2大眾體育中的力學(xué) 2第2章物理定律在體育運(yùn)動中的應(yīng)用 32.1牛頓第一運(yùn)動定律及其在體育中的應(yīng)用 42.2牛頓第三運(yùn)動定律及其在體育中的應(yīng)用 42.3牛頓運(yùn)動定律在體育運(yùn)動中的應(yīng)用 52.4動量定理及其在體育運(yùn)動中的應(yīng)用 62.5摩擦力及其在體育中的應(yīng)用 82.6人體運(yùn)動中的功能關(guān)系 82.6.1機(jī)械能及其在體育中的應(yīng)用 82.6.2勢能及其在體育中的應(yīng)用 92.7機(jī)械能守恒和轉(zhuǎn)化定律及其在體育中的應(yīng)用 92.8彈性力及其在體育中的應(yīng)用 92.9斜拋運(yùn)動及其在體育中的應(yīng)用 10第3章物理定律在體育運(yùn)動中的應(yīng)用實(shí)例 113.1投擲運(yùn)動 113.2拔河運(yùn)動 123.3跳躍運(yùn)動 133.4滑雪運(yùn)動 14結(jié)論 15參考文獻(xiàn) 16致謝 17第1章緒論1.1選題背景和依據(jù)在世界競技體育水平飛速發(fā)展、競爭日趨激烈的今天，只憑借發(fā)達(dá)的四肢是難以攻克這項(xiàng)尖端技術(shù)攀登世界體育高峰的。因此，從某種意義上來說，現(xiàn)代體育競爭實(shí)際上是科學(xué)技術(shù)的角逐，在這門科學(xué)中物理學(xué)是一門重要的基礎(chǔ)學(xué)科。它是掌握和改進(jìn)運(yùn)動技術(shù)，加快提高運(yùn)動成績的重要依據(jù)。1.2課題研究的內(nèi)容本文主要從體育科學(xué)與物理科學(xué)相融合的角度去研究它們的科學(xué)關(guān)系以及發(fā)展趨勢。論述力學(xué)中的物理定律在體育運(yùn)動中的應(yīng)用。其次，研究體育運(yùn)動中常用的物理定律及其應(yīng)用實(shí)例的分析。1.3力學(xué)在體育運(yùn)動中的作用物理學(xué)中的力學(xué)是迄今為止發(fā)展最為完善的自然科學(xué)學(xué)科，具有結(jié)構(gòu)嚴(yán)密方法奇妙等特征。力學(xué)作為新技術(shù)應(yīng)用、新學(xué)科創(chuàng)立、新思維發(fā)展的原動力，始終站在科學(xué)前沿，推動技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新，極大影響社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。而它對體育學(xué)的影響也是非常深遠(yuǎn)的。它的很多原理和方法在體育運(yùn)動和體育研究中都有直接或間接的應(yīng)用。從體育學(xué)中物理學(xué)的應(yīng)用這一方面進(jìn)行初步的闡述，希望能給大家一個新的視角去看待體育運(yùn)動，也從新的角度去看待物理，在物理和體育的教學(xué)中能夠相互借鑒一些東西。延伸開來，作為引玉之磚，將物理學(xué)中的力學(xué)與體育學(xué)從研究、教學(xué)的角度加以聯(lián)系，或許能得到更多的東西[1]。1.3.1競技體育中的力學(xué)力學(xué)是物理學(xué)中最先發(fā)展完善的學(xué)科，其應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。力學(xué)無論是在運(yùn)動訓(xùn)練，還是技術(shù)動作的分析與改進(jìn)，都和體育有密切的聯(lián)系?？梢哉f物理學(xué)在體育中應(yīng)用最多的便是力學(xué)。關(guān)于體育中的力學(xué)應(yīng)用，已有人從物理教學(xué)的角度提及過，由于是從教學(xué)方面入手，只從中學(xué)力學(xué)的角度出發(fā)所以不夠全面。體育當(dāng)中最簡單的力學(xué)的應(yīng)用便是長度、時間和質(zhì)量的測量。在體育比賽中，很多項(xiàng)目都是以這三項(xiàng)為基準(zhǔn)來表示成績的好壞的。這表現(xiàn)在如下三個方面：田徑中的田賽，如跳遠(yuǎn)、跳高、鉛球、標(biāo)槍、鏈球等，都以長度（高度或遠(yuǎn)度）來衡量成績，多者為勝。田徑中的徑賽，如短跑、中長跑、馬拉松、短距離及長距離的游泳、短距離及長距離的滑冰，是以同樣的距離下所用的時間多少來衡量比賽成績的，時間少為優(yōu)。舉重，是以同一級別體重下舉起重量的多少決定勝負(fù)，舉起重量大者為優(yōu)勝者。在各項(xiàng)體育運(yùn)動具體的動作分析中，都以力學(xué)原理為依據(jù)。如各種平衡動作的分析就是以重心與支撐點(diǎn)的位置關(guān)系來進(jìn)行的，重心的作用線越接近支撐點(diǎn)，越容易失去平衡；離支撐點(diǎn)越遠(yuǎn)則越不穩(wěn)定。在體育運(yùn)動當(dāng)中，人體的穩(wěn)定與否依賴于身體姿勢的變化而定。有時需要身體盡量的穩(wěn)定，如武術(shù)中的馬步就加大了支撐面，降低了重心而達(dá)到穩(wěn)定。而在摔跤中卻要求一種動態(tài)的平衡，即要求在不斷變化中以自己最穩(wěn)定的方位向?qū)κ肿钊菀资テ胶獾姆较蜻M(jìn)行攻擊，已達(dá)到摔倒對手的目的。有時卻需要迅速打破平衡。如短跑中的起跑由原來的站立式而演變?yōu)楝F(xiàn)代的蹲距式，以及游泳比賽中的起跳姿勢都是穩(wěn)定性很小的平衡。為了迅速進(jìn)入比賽打破現(xiàn)有的平衡做好準(zhǔn)備。對各種用力動作用力學(xué)的定律和定理分析其是否合理。比如投擲項(xiàng)目中（鉛球、鐵餅和標(biāo)槍等），要求在最后用力階段為獲得較大速度發(fā)揮最大力量，既符合牛頓第二定律，同時軀干特別是肩關(guān)節(jié)盡量向前（即超越器械）在發(fā)揮最大力量的同時，盡可能增大作用時間，能最大程度的增大器械的動量，以達(dá)到好的成績。在分析某些動作時（如跳遠(yuǎn)起跳、跳高起跳等）在最大用力時要求用力環(huán)節(jié)（如起跳腿）有一最佳角度。即把人看作一個由骨骼和肌肉組成的杠桿系統(tǒng)，當(dāng)要發(fā)揮最大力量時，肌肉對支點(diǎn)（關(guān)節(jié)）必然有一個最佳的發(fā)力角度以達(dá)到最大的力矩，同樣大的肌肉力量在這個最佳的角度上才能發(fā)揮最好的效果。這也是運(yùn)動技術(shù)最佳化的一個方面。流體力學(xué)在體育中的應(yīng)用也很廣泛。喜歡足球的人肯定知道2005世界足球先生——巴西球星羅納爾迪尼奧。他踢出的任意球可以繞過人墻飛入球門，這里就有流體力學(xué)的道理。根據(jù)馬格努斯效應(yīng)，向前飛行的球體發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，一側(cè)的壓強(qiáng)就不相等，足球兩側(cè)受力不相等。飛行路線就會向一側(cè)彎曲。只要踢出一側(cè)向下急速旋轉(zhuǎn)的球，就可以使足球飛行時向一側(cè)彎曲并快速下降。當(dāng)然這只是流體力學(xué)在體育當(dāng)中一個小小方面的應(yīng)用，其它方面如游泳中的動力和阻力，劃船運(yùn)動中的船體的材料與阻力槳的形狀以及跳臺滑雪中人體所受的空氣阻力等等都與運(yùn)動成績都有直接的關(guān)系。1.3.2大眾體育中的力學(xué)除了力學(xué)在競技體育中的應(yīng)用外，實(shí)際上，在人們?nèi)粘５腻憻捘酥疗匠５倪\(yùn)動中都充滿了力學(xué)。背包是大家經(jīng)常用到的東西，但什么樣的背包是合理的，對經(jīng)常用到背包的人不會產(chǎn)生不良影響?而且背包經(jīng)歷了從單帶到雙背帶的轉(zhuǎn)換，這里有它的力學(xué)道理。單背帶對人身體的平衡有影響，它使人在行走時脊椎向一側(cè)彎曲，時間長久了使相應(yīng)的肌肉產(chǎn)生疲勞。長時間下去必然造成肌肉的慢性損傷，尤其是對正在生長發(fā)育的中小學(xué)生，更是易造成脊柱側(cè)曲，影響以后的工作和生活。雙背帶背包則糾正了這一不良影響，但對中小學(xué)生來說要注意的是背包不應(yīng)過重，否則雖然不會發(fā)生脊柱側(cè)曲，但卻使脊柱向前彎曲，長時間會造成駝背。這一點(diǎn)請老師和家長多加注意。在美國的北卡羅萊州就有一個生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室。專門研究登山背包，使背包更符合力學(xué)原理，更加舒適。另外，對日常的坐姿也有力學(xué)原理，特別是對經(jīng)常伏案工作的知識分子和政府工作人員來說更加重要。鞋是大家必需的用品，但這里也充滿學(xué)問。著名的體育用品耐克和阿迪達(dá)斯公司都有專門的機(jī)構(gòu)來研究鞋，鞋底到鞋面不同的位置對腳的作用力有什么不同，其相應(yīng)的材料及其結(jié)構(gòu)都作相應(yīng)的設(shè)計，以達(dá)到舒適、安全之目的。運(yùn)動員的鞋就更加不用講了，為了提高其比賽成績，鞋的材料和設(shè)計更加細(xì)致和深入。比如美國著名運(yùn)動員卡爾·劉易斯的一雙比賽用鞋是幾個科研人員花了半年時間，測量了幾百個數(shù)據(jù)專門為他制作的。背背佳、英姿帶的廣告已是大家都熟知的，它對校正青少年以至成年人的駝背和其它不正確姿態(tài)都有比較好的效果，而這種產(chǎn)品正是根據(jù)人體生物力學(xué)的原理而研制的，它的基本原理是通過改變?nèi)梭w的局部力量平衡達(dá)到新的平衡而達(dá)到改變身體形態(tài)的目的?，F(xiàn)在有很多人都在使用。但有一點(diǎn)必須注意，身體姿勢的糾正，依靠體育鍛煉是最佳方法，通過增強(qiáng)相應(yīng)的肌肉力量（比如斜方肌等）來達(dá)到培養(yǎng)正確形態(tài)的目的是根本的辦法。而且這種英姿帶、背背佳不可使用過長時間，因?yàn)樗峭ㄟ^帶子的彈性來校正姿態(tài)。長期使用會使相應(yīng)的肌肉力量下降，功能退化，反而會對身體造成不好的影響。第2章物理定律在體育運(yùn)動中的應(yīng)用2.1牛頓第一運(yùn)動定律及其在體育中的應(yīng)用任何物體，在不受力作用時，都保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)。在自然界中，找不到完全不受外界作用的物體。在實(shí)際應(yīng)用中，“不受力作用”在某種意義上應(yīng)理解為物體受到的力作用恰好相互抵消，這時結(jié)論依然正確。如放在場地上的鉛球，它受到的重力作用與地面支撐力的作用相平衡，它就保持靜止的狀態(tài)。牛頓第一定律表明，不受其它物體作用的物體，若靜止則永遠(yuǎn)靜止，若運(yùn)動則永遠(yuǎn)作勻速直線遠(yuǎn)動，即物體具有保持它原有運(yùn)動狀態(tài)不變的性質(zhì)，這種性質(zhì)稱為慣性。因此，牛頓第一定律也叫慣性定律。慣性是物體固有的性質(zhì)，質(zhì)量是慣性的量度。慣性與是否有其它物體的作用無關(guān)。在體育運(yùn)動中，常遇到慣性問題。如在短跑起跑后，人體跑速不能立即達(dá)到最大跑速，而在沖刺之后，人體也不能立即停下來。這都是慣性的緣故。掌握了慣性定律，在體育運(yùn)動中合理地利用慣性，可使肌肉的放松、收縮適時、有節(jié)奏，動作更加協(xié)調(diào)，減少能量消耗，即通常講的使“巧勁”。如保持一定的速度比改變速度要容易、省力得多，因此在長距離游泳、賽跑中，提倡用適宜的較穩(wěn)定的速度游、跑。在體操中，特別注意動作的連貫性，盡可能避免頻繁地改變運(yùn)動速度，以減少不必要的負(fù)荷。例如，上舉杠鈴、單杠及撐桿跳高中的引體向上動作，如能保持動作的連貫性，則能較容易地完成動作。反之，動作中途停頓，則會加大動作的難度，甚至?xí)?dǎo)致動作的失敗。慣性定律在體育學(xué)中應(yīng)用很廣，如跳高中運(yùn)動員的助跑，其目的是為了提高速度，增加動力，因而這種慣性作用具有很大的促進(jìn)力，可以使其跳得更高；又如踢足球，鏟球?yàn)槭裁慈菀姿さ?；百米沖刺時，到終點(diǎn)后很難停??；舉重運(yùn)動員在提杠鈴或上舉杠鈴時為什么要注意用大力氣，把握杠鈴的運(yùn)動狀態(tài)，即克服靜止?fàn)顟B(tài)使之進(jìn)入運(yùn)動狀態(tài)，一旦杠鈴進(jìn)入運(yùn)動，就要求運(yùn)動員保持舉杠鈴時動作的連貫性，中途稍有停頓，不僅不可能完成動作，還可能導(dǎo)致比賽的失敗。這說明當(dāng)人身體的某一部分受到外力作用時，身體的另一部分不能立刻隨之改變。2.2牛頓第三運(yùn)動定律及其在體育中的應(yīng)用若物體A對物體B的作用力為F，則物體B同時以力F反作用物體A，兩力的大小相等，方向相反，并在同一直線上，牛頓第三定律表明了力是物體間的相互作用。相互作用力總是等大、反向、沿同一直線。正確理解相應(yīng)用牛頓第三定律應(yīng)注意的幾點(diǎn)，作用力和反作用力分別作用在不同的物體上，分別產(chǎn)生各自的效應(yīng)。它們不同于一對平衡力。如踢足球，腳對球的作用力為，作用在球上，使球產(chǎn)生加速度和形變。而球?qū)δ_的作用力同時作用在腳上，使腳產(chǎn)生向后的加速度和受到壓迫。雖然二力大小相等，但作用在不同的物體上，產(chǎn)生不同的效果。作用力和反作用力互為存在條件。它們總是同時產(chǎn)生、同時存在、同時消失。作用力和反作用力必是同種性質(zhì)的力。如果作用力是摩擦力，反作用力也是摩擦力；如果作用力是彈性力，反作用力一定也是彈性力。作用力與反作用力等值反向，沿同一直線這一規(guī)律，不受相互作用的兩物體的運(yùn)動狀態(tài)的影響。不管它們處于靜止?fàn)顟B(tài)還是運(yùn)動狀態(tài)，相互作用力的上述規(guī)律仍然成立。當(dāng)人們進(jìn)行各種運(yùn)動時，作用力與反作用力問題是普遍存在的。弄清它們的關(guān)系，才能正確分析體育運(yùn)動中各力的特點(diǎn)，結(jié)合牛頓第二運(yùn)動定律進(jìn)行深入研究。在走、跑、跳等動作中，人體所獲得的動力是人蹬地過程中，地面給人體的反作用力。要獲得較大的反作用力作為人體運(yùn)動的動力，必須加大人的蹬地力。這又取決于人體肌肉活動引起的對地面作用力的大小。肌肉活動是主動的。為了提高人體運(yùn)動效果，最重要的是提高肌肉收縮速度和力量，以加大蹬地力從而得到一個大的反作用力，使人體運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化，這也是運(yùn)動生物力學(xué)有別于普通力學(xué)的特點(diǎn)之一。為了尋求更大的對人體作用的地面反作用力，實(shí)踐中采用一些措施，創(chuàng)造某種良好的作用條件。例如，選擇堅硬的場地、在跑鞋、跳鞋上安上釘子，起跳時用起跑器等等。2.3牛頓運(yùn)動定律在體育運(yùn)動中的應(yīng)用物體作圓周運(yùn)動時，速度方向沿著圓周的切向不斷變化，因而存在向心加速度，其大小為，方向指向圓心。由牛頓第二定律得知，此時物體必受到外力的作用，這個外力的方向也始終指向圓心，大小為這個力就叫向心力。因此向心力可定義為：物體做圓周運(yùn)動時，受到跟速度方向垂直、并且沿著半徑指向圓心的力叫向心力。由此可知物體作圓周運(yùn)動的必要條件是，物體必須受到一個與速度方向垂直的外力作用，才能不斷地改變物體運(yùn)動的方向。如果作用力與速度方向平行，這個力就只改變速度的大小而不改變速度的方向，即物體只作變速運(yùn)動。人帶動鏈球作圓周運(yùn)動時，手臂通過鐵鏈對球施加向心力，不斷改變球的運(yùn)動方向，使球得以實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動。既然作圓周運(yùn)動的物體受到向心力的作用，那么，由牛頓第三定律得知，必須同時存在一個反作用力，它是作圓周運(yùn)動的物體施加在向心力的施力物體上。這個力與向心力大小相等、方向相反，即沿半徑背離圓心，故稱為離心力。在上述的例子中，手臂向內(nèi)拉鏈球的力是向心力，手臂受鏈球向外的拉力就是離心力。向心力的作用點(diǎn)在鏈球上，而離心力的作用點(diǎn)在手上。有人認(rèn)為松手后，鏈球沿切線飛出應(yīng)是離心力作用的結(jié)果，這是不對的。因?yàn)?，第一，離心力是沿半徑指向外的，所以不可能控制鏈球沿切線方向飛出去；第二，離心力是作用在手上，不會對鏈球產(chǎn)生作用；第三，松手后，向心力消失，離心力也同時消失，不可能再產(chǎn)生作用。正確地解釋是，松手后鏈球不再受向心力的作用，因慣性的緣故沿切線方向飛出去。產(chǎn)生向心力的方式是多種多樣的。有的是由約束物產(chǎn)生的。如運(yùn)動員在投擲鏈球時，由于手拉鏈球旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生向心力；運(yùn)動員的手約束鐵餅使鐵餅旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生向心力；在彎道跑或騎自行車轉(zhuǎn)彎，人和車需向圓心一側(cè)傾斜，這時，人和車的重力與地面的支撐力不在一條豎直線上。由重力和支撐力形成合力即是向心力。向心力并非是一種新形式的力。向心只是指力的作用方向而已。重力、摩擦力和彈性力都可產(chǎn)生這種作用效果。如在單杠大回環(huán)中，單杠作為約束物對人體施加的向心力，是由于單杠的形變而產(chǎn)生的彈性力。上面提到的彎道跑和騎自行車轉(zhuǎn)彎等所產(chǎn)生的向心力，是由重力和支撐力產(chǎn)生的。2.4動量定理及其在體育運(yùn)動中的應(yīng)用動量定理亦稱動量原理，是描述物體機(jī)械運(yùn)動狀態(tài)變化規(guī)律的基本定理之一。物體在運(yùn)動過程中，在某段時間內(nèi)動量的改變等于所受合外力在這段時間的沖量I。動量定理可由牛頓第二定律推導(dǎo)出來。在研究具體問題時，有時人們關(guān)心的不是力的瞬時效應(yīng)，而是累積效應(yīng)。如推鉛球的作用時間為，通常關(guān)心的是在這段時間內(nèi)，鉛球的動量增加了多少，出手時的動量為多大。如果一個外力作用在物體上一段時間。由牛頓第二定律可以求出每一瞬時加速度的大小和方向，但不能求出動量的變化量。由于物體動量發(fā)生變化是沖量作用的直接結(jié)果，物體動量的變化只取決于外界沖量大小而無須深究力在作用過程中變化的具體細(xì)節(jié)。兩個不同的外力，盡管它們的變化情況不同，但只要它們所產(chǎn)生的沖量值一樣，導(dǎo)致物體動量的變化值也將一樣。這—點(diǎn)對分析具體問題帶來很大的方便。如我們可用一個恒力來代替一個變力的作用，只要這個恒力在相同的時間內(nèi)產(chǎn)生的沖量與變力相同。這樣的恒力通常稱為變力的平均沖力。動量定理在碰撞、沖擊等問題中有重要意義。由于瞬時作用的沖力很難測定，所以這時的牛頓第二定律無法直接應(yīng)用。但可根據(jù)動量定理測定物體在碰撞或沖擊前后動量的變化，來確定沖力的沖量大小，并根據(jù)作用時間的長短，計算出沖力的平均數(shù)值。運(yùn)用動量定理還可以計算人體運(yùn)動中的一些力學(xué)參數(shù)。在跳躍項(xiàng)目中，用測力臺測出踏跳力隨時間的變化曲線，就可以求出人體所受的沖量，運(yùn)用動量定理，則可求出人體騰空的速度。在另一些情況下，在動作的電子圖片上可以計算出人體或器械的運(yùn)動速度。反過來，也可以計算出相應(yīng)的平均沖力大小。例如，用測力臺測出運(yùn)動員跳高起跳過程的垂直分力曲線圖。整個起跳過程可分為撞板階段和蹬板階段。蹬板階段運(yùn)動員獲得向上的動量是由蹬板階段沖量的大小所決定。向上的動量大，則運(yùn)動員騰空的垂直初速度也大。設(shè)開始蹬板瞬間垂直速度為零，則動量為零；騰空垂直速度為，運(yùn)動員質(zhì)量為，則運(yùn)動員在蹬板階段動量的變化為。在這個階段運(yùn)動員所受的外力有重力，支撐反作用力，合力為，所產(chǎn)生的沖量為。動量定理在體育運(yùn)動的研究中應(yīng)用廣泛。根據(jù)此定理，可以對運(yùn)動技術(shù)提出一些一般性的原則。例如：在投擲項(xiàng)目中，為了增加器械的出手速度，即增加器械的出手動量，應(yīng)增加在最后用力階段對器械的沖量。這要求在發(fā)揮最大力量的同時，延長力的作用時間。根據(jù)人體肌肉的用力特點(diǎn)，如果有意識地放慢動作的速度來延長作用時間就不能達(dá)到增加沖量的目的。正確的作法是，在保證發(fā)揮肌肉最大用力的同時，通過延長力的作用距離來延長作用時間。如在投擲項(xiàng)目中，往往要求在最后用力前使身體盡可能超越器械。其作用：一方面可使原動肌充分拉長，以提高肌肉的收縮力；另一方面可延長最后用力的作用距離，從而延長作用時間，達(dá)到增大沖量的目的。這在體育運(yùn)動中多見，如短跑中要求后蹬充分，以增大蹬地時的工作距離來增加力的作用時間；游泳運(yùn)動員屈臂“”型劃水代替直臂劃水，其目的也是為了增加力的作用時間?？傊哟笕梭w所受沖量，可增加沖力或增加力的作用時間來實(shí)現(xiàn)，也可同時加大二者來實(shí)現(xiàn)。若要減少對人體的沖力，就得延長力作用的時間，各種落地緩沖動作就是典型的例子。由動量定理可知，如果動量的變化量是一個常量，即沖量值也應(yīng)是一個常量。這時延長作用時間，就可以減少沖力的大小。如落地動作，一般要求從前腳掌著地，迅速過渡到全腳掌，同時屈膝屈髖伸踝，其目的就是延長與地面的作用時間，減小沖力對人體的作用。又如接高速來球，當(dāng)手接球的同時曲肘回收，順勢接球，可延長手與球的作用時間，從而減少球?qū)κ值臎_力作用。各種球類運(yùn)動中的許多動作屬于沖擊性動作，如排球中的發(fā)球、扣球和墊球；足球中的踢球、頂球；乒乓球、棒球、冰球、網(wǎng)球等的擊球動作。根據(jù)比賽的技、戰(zhàn)術(shù)要求，想要調(diào)整完成這些動作時的沖力大小、方向以及作用時間，以使球體獲得不同的動量。2.5摩擦力及其在體育中的應(yīng)用相互接觸的兩個物體，在接觸面上發(fā)生的阻礙相對運(yùn)動或阻礙相對運(yùn)動趨勢的力叫摩擦力。摩擦通常分為滑動摩擦、滾動摩擦和靜摩擦幾種。在所有其它條件均相同時，兩物體之間的滑動摩擦力比最大靜摩擦力小。摩擦力的大小與接觸面間的壓力大小有關(guān)，接觸面粗糙程度一定時，壓力越大摩擦力越大。生活中我們有這樣的常識，當(dāng)自行車車胎氣不足的時候，騎起來更費(fèi)力一些。摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度有關(guān)，壓力一定時，接觸面越粗糙，摩擦力越大。摩擦力在體育中的應(yīng)用隨處可見。如賽車時，車輪多是非常粗糙的防滑輪，其目的就是為了增大摩擦力；拔河時，在雙方力量相當(dāng)?shù)那闆r下，腳下摩擦力的大小是勝負(fù)的關(guān)鍵。所以，有經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)動員都知道要穿運(yùn)動鞋，最好能在腳下挖一小坑，增大摩擦力。當(dāng)然，在體育實(shí)踐中，有些動作需要減少摩擦力，也有些動作需要增大摩擦力。例如體操運(yùn)動員在上杠前手上抹一些鎂粉，做自由體操前，運(yùn)動員在體操鞋底蘸點(diǎn)松香粉，目的都是為了增大摩擦力。而滑冰運(yùn)動員比賽前磨冰刀、在滑雪板上涂上潤滑油等，目的卻是為了減少摩擦力[6]。2.6人體運(yùn)動中的功能關(guān)系人體的運(yùn)動過程中，肌肉收縮力牽引骨杠桿發(fā)生機(jī)械位移，從而對外做功。其結(jié)果或是改變?nèi)梭w運(yùn)動的速度、人體的姿勢和位置，使人體的能量狀態(tài)發(fā)生改變或是改變器械的運(yùn)動速度或空間位置，使器械的能量狀態(tài)改變。這些過程實(shí)質(zhì)上是人體在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的支配下，體內(nèi)儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)城能和熱能的過程。即使人體完成靜力性工作，雖然沒有改變?nèi)梭w或器械的機(jī)械能量狀態(tài)，但也消耗了體內(nèi)的化學(xué)能，以熱量的形式散發(fā)掉。因此普遍地講，人體的運(yùn)動過程就是能量的轉(zhuǎn)換過程。掌握人體運(yùn)動中的功能關(guān)系及能量轉(zhuǎn)換特點(diǎn)，對正確認(rèn)識人體運(yùn)動的規(guī)律，分析研究運(yùn)動技術(shù)，以提高運(yùn)動成績是十分重要的。在力學(xué)上，功和能是兩個密切聯(lián)系的力學(xué)量。功是能量轉(zhuǎn)換的量度。凡是由一種能量轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N能量，其過程都通過做功體現(xiàn)出來。能量是物體做功本領(lǐng)大小的反映。如果一個物體能夠做功，則表明物體具有能量。物體做功的本領(lǐng)越大，具有的能量就越大。2.6.1機(jī)械能及其在體育中的應(yīng)用在體育運(yùn)動中，人體的各種運(yùn)動形式：推、拉、蹬伸、緩沖、鞭打等動作，都是通過肌肉收縮力使人體關(guān)節(jié)或器械發(fā)生一定的位移，這時肌肉收縮力就對外界作了功。由此可知功是力對物體作用效果的一種量度，反映了力對物體作用效果隨物體位移的累積。2.6.2勢能及其在體育中的應(yīng)用由于相互作用的物體間的相對位置決定的能量叫勢能。它包括重力勢能和彈性勢能兩種。重力勢能：一個靜止的物體，只要它處于一定的高度，當(dāng)它下落時，就可以做功。這種能量是由于物體與地球的相對位置發(fā)生變化而具有的，叫重力勢能。一個質(zhì)量為的物體，距地面高度為，那么它具有的重力勢能為mgH顯然，物體所處的位置愈高，其重力勢能愈大。彈性勢能：拉滿了的弓能將箭射出去；壓彎了的尼龍桿能把人彈起。這表明發(fā)生了彈性形變的物體也可對外做功，因而具有能量。物體由于發(fā)生彈性形變所具有的能量叫做彈性勢能。只要是彈性體，發(fā)生形變時就具有彈性勢能。例如，籃球、排球、足球、乒乓球、網(wǎng)球等在外力作用下變形時，具有彈性勢能。2.7機(jī)械能守恒和轉(zhuǎn)化定律及其在體育中的應(yīng)用由功能原理可知，如果系統(tǒng)所受內(nèi)外力（除重力和彈力）都不做功或所做功的總和為零，或物體所受合外力為零，即，這時系統(tǒng)的總機(jī)械能保持不變。在體育運(yùn)動中，嚴(yán)格的機(jī)械能守恒是不存在的。因?yàn)樵谶\(yùn)動中，人體所具有的機(jī)械能可以通過肌肉活動而增加（由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能），也可能由于克服摩擦力產(chǎn)生熱能而消耗一部分機(jī)械能。但就自然界總的能量來講是守恒的。在這個前提下，各種形式的能是可以互相轉(zhuǎn)換的。但能量不能創(chuàng)造，也不能消滅，只能由一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，這是自然界最普遍最重要的規(guī)律——普遍的能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。2.8彈性力及其在體育中的應(yīng)用發(fā)生形變的物體要恢復(fù)原來的形狀而作用在與它相接觸的物體上的力，叫做彈性力。所以彈性力發(fā)生在直接接觸的物體之間，并以物體發(fā)生形變?yōu)橄葲Q條件。如在人體作用下，跳水跳板、撐竿跳高中的彈性竿、體操中的單杠、雙杠及高低杠等體育器械都會發(fā)生一定的形變。產(chǎn)生的彈性力可作用在人體上，加大人體運(yùn)動的速度或動作幅度。2.9斜拋運(yùn)動及其在體育中的應(yīng)用向斜上方拋出的物體運(yùn)動叫斜拋運(yùn)動[5]。斜拋運(yùn)動又分解為水平方向的勻速直線運(yùn)動和豎直方向的自由落體運(yùn)動。水平方向的距離叫射程，豎直方向的距離叫射高。實(shí)驗(yàn)證明，在拋射角小時，射程隨著拋射角的增大而增大；當(dāng)拋射角為時，射程最大；拋射角增大，射程反而減小。投出的標(biāo)槍、擲出的鉛球、跳遠(yuǎn)時的助跑等都是斜拋運(yùn)動。從理論上講，要想獲得最大的射程，拋射角應(yīng)該為。但實(shí)際上射程還與拋出點(diǎn)的高度有關(guān)，取得射程最大的拋射角不是，而是，若運(yùn)動員的身體較高，拋射角應(yīng)該是為佳。第3章物理定律在體育運(yùn)動中的應(yīng)用實(shí)例3.1投擲運(yùn)動物理學(xué)在體育中還有許多應(yīng)用。如相互作用力的應(yīng)用．在拳擊運(yùn)動中，雙方對打就是作用力和反作用力的較量。由于雙方打的部位不同，所以，才有作用程度的不同。才有勝負(fù)之分；又如動量、沖量的應(yīng)用。跳遠(yuǎn)時，跳坑里面放的沙子；跳高時，跳桿下面放的海棉．其目的都是為了運(yùn)動員落地時增大作用時間，從而減小對運(yùn)動員的沖擊力。還有功和能的應(yīng)用。舉重運(yùn)動員舉重的過程就是重力做功的過程，也是運(yùn)動員能量損耗的過程，做多少功，就需要有多少能量消耗。因而，身材矮的運(yùn)動員重力做功小，能量損耗也少，反則反之。如果你經(jīng)常觀看足球比賽的話，一定見過罰前場直接任意球。這時候，通常是防守方五六個球員在球門前組成一道“人墻”，擋住進(jìn)球路線。進(jìn)攻方的主罰隊員，起腳一記勁射，球繞過了“人墻”，眼看要偏離球門飛出，卻又沿弧線拐過彎來直入球門，讓守門員措手不及，眼睜睜地看著球進(jìn)了大門。這就是頗為神奇的“香蕉球”。為什么足球會在空中沿弧線飛行呢？原來，罰“香蕉球”的時候，運(yùn)動員并不是拔腳踢中足球的中心，而是稍稍偏向一側(cè)，同時用腳背摩擦足球，使球在空氣中前進(jìn)的同時還不斷地旋轉(zhuǎn)。這時，一方面空氣迎著球向后流動，另一方面，由于空氣與球之間的摩擦，球周圍的空氣又會被帶著一起旋轉(zhuǎn)。這樣，球一側(cè)空氣的流動速度加快，而另一側(cè)空氣的流動速度減慢。物理知識告訴我們：氣體的流速越大，壓強(qiáng)越?。ú匠蹋?。由于足球兩側(cè)空氣的流動速度不一樣，它們對足球所產(chǎn)生的壓強(qiáng)也不一樣，于是，足球在空氣壓力的作用下，被迫向空氣流速大的一側(cè)轉(zhuǎn)彎了。足球罰點(diǎn)球時，球速高達(dá)到，球速如此高，如果守門員的反應(yīng)時間過大。再加上從站立處撲到撲球點(diǎn)需要一定的運(yùn)動時間，所以守門員就不容易撲住點(diǎn)球了。守門員用胸部停球，那么胸部所受沖力高達(dá)1470N，如果用雙手接球，沖力瞬間要減少到490N，這是因?yàn)橥ㄟ^手臂運(yùn)動可使球的制動距離延長3倍的緣故。它可用動量定理來解釋：碰撞時間增大了，作用力減小了。投擲鉛球和標(biāo)槍的運(yùn)動員，大都是來用助跑的方法，在快速奔跑中把投擲物投擲出去。這是為了使投擲物在出手以前就有較高的運(yùn)動速度，再加上運(yùn)動員有力的投擲動作，投擲物就能飛得更遠(yuǎn)。推鉛球時，運(yùn)動員被限制在固定半徑的投擲圈內(nèi)，根本無法通過助跑來提高鉛球的初速度。如果站在那兒不動，把處于靜止?fàn)顟B(tài)的鉛球投擲出去，那是投擲不遠(yuǎn)的。由此可知，要使鉛球在出手前就有較大的運(yùn)動速度，必須增加給鉛球施加作用力的時間（在作用力不變的情況下）。所以，鉛球運(yùn)動員大都是采用背向滑步的方法：先把上身扭轉(zhuǎn)過來，背向投擲方向，然后擺腿、滑步、前沖，再用力推出鉛球。通過這一系列的動作，使鉛球在推出前就已具有較大的運(yùn)動速度。對于優(yōu)秀的運(yùn)動員來說，滑步推鉛球比原地推鉛球可增加約的成績。投鉛球時的角度應(yīng)該是多少在學(xué)習(xí)物理時討論過斜拋運(yùn)動的問題：將物體以一定的速率斜向上拋出，如果空氣阻力可以忽略，則仰角為多大時拋出的距離最遠(yuǎn)？上面問題的答案為。但是，推鉛球的情況不同，鉛球的拋擲點(diǎn)不是在地面上，而是離地有一段高度。所以，以同一出手速率作及仰角拋擲，當(dāng)落回拋擲點(diǎn)同一水平面時，水平距離以者較大。但是，當(dāng)它們落到地面時，水平距離卻可能是者較大。通過復(fù)雜的計算，可以得到以下的結(jié)論：推鉛球獲得最大的距離，其出手的仰角應(yīng)小于。這角度隨鉛球出手速度的增大而增大，而隨出手高度的增大而減小。對出手高度為，而出手速度為的人來說，手仰角應(yīng)為。至于其他投擲類，受空氣的作用力影響較大，各有不同的最佳仰角。例如擲鐵餅為；標(biāo)槍為；鏈球?yàn)?。投擲成績的決定因素還取決與在最后用力的技巧上，投擲臂的快旋轉(zhuǎn)及手腕、手指的甩動，能給投擲物再加速，從而有助于提高出手速度。投擲標(biāo)槍時，還可以通過使投擲物產(chǎn)生順時針方向的自由運(yùn)動，來提高標(biāo)槍在空中飛行的穩(wěn)定性。作用在物體上的力應(yīng)通過鉛球的重心、標(biāo)槍的縱軸。3.2拔河運(yùn)動根據(jù)牛頓第三定律（即當(dāng)物體甲給物體乙一個作用力時，物體乙必然同時給物體甲一個反作用力，作用力與反作用力大小相等，方向相反，且在同一直線上），對于拔河的兩個隊，甲對乙施加了多大拉力，乙對甲也同時產(chǎn)生一樣大小的拉力?？梢姡p方之間的拉力并不是決定勝負(fù)的因素。對拔河的兩隊進(jìn)行受力分析就可以知道，只要所受的拉力小于與地面的最大靜摩擦力，就不會被拉動。因此，增大與地面的摩擦力就成了勝負(fù)的關(guān)鍵。首先，穿上鞋底有凹凸花紋的鞋子，能夠增大摩擦系數(shù)，使摩擦力增大；還有就是隊員的體重越重，對地面的壓力越大，摩擦力也會增大。大人和小孩拔河時，大人很容易獲勝，關(guān)鍵就是由于大人的體重比小孩大。另外，在拔河比賽中，勝負(fù)在很大程度上還取決于人們的技巧。比如，腳使勁蹬地，在短時間內(nèi)可以對地面產(chǎn)生超過自己體重的壓力。再如，人向后仰，借助對方的拉力來增大對地面的壓力等等。其目的都是盡量增大地面對腳底的摩擦力，以奪取比賽的勝利。拔河比賽獲勝的訣竅，首先，根據(jù)物體慣性大小與質(zhì)量的關(guān)系，拔河隊員質(zhì)量越大，慣性也越大，其運(yùn)動狀態(tài)越難改變，穩(wěn)定性越好。故組隊時應(yīng)挑選身強(qiáng)力壯、體重大的人。其次，根據(jù)合力與分力的關(guān)系，分力大小一定時，分力間的夾角越小，產(chǎn)生的合力越大。因此，拔河時繩線一定要保持一條直線，不能左右搖擺，每個隊員都應(yīng)順著繩線向后拉，力爭保持各分力間的夾角為零，不能各自向兩側(cè)或其它方向拉。第三，要利用靜摩擦力。運(yùn)動員的鞋子首選鞋底粗糙不打滑、摩擦系數(shù)較大的；拔河時，運(yùn)動員的身體要向后傾，腳用力向前蹬地，使腳相對于地面有向前的運(yùn)動趨勢，地對人產(chǎn)生向后的靜摩擦力。切不可身體前傾，腳向后蹬地或向后翹起，那樣做只會幫倒忙。3.3跳躍運(yùn)動跳高運(yùn)動員能騰起越過橫桿，靠的是助跑的慣性力和起跳蹬地時支撐力的反作用力。由于慣性力的方向是水平向前的，而支撐反作用力是垂直（或近似垂直）向上的，所以起跳后的身體重心沿著一個拋物線軌跡運(yùn)動。這個拋物線軌跡的高度，取決于起跳時騰起初速度和騰起角的大小，也就是說，騰起初速度和騰起角是增加跳高高度的關(guān)鍵。一般說來，應(yīng)該盡可能增大這兩項(xiàng)數(shù)值。最大騰起角為。然而，由于跳高不是單純的垂直向上運(yùn)動，越過橫桿還必須有一個向前的力量；再則，還須充分利用水平速度來增大騰起初速度，因此，騰起角應(yīng)小于。至于騰起初速度，則和運(yùn)動員的素質(zhì)和技術(shù)的熟練程度密切相關(guān)。騰起初速度越大，跳得就越高。當(dāng)騰起角一定時，騰起初速度是起決定作用的。提高跳遠(yuǎn)成績的方法。首先，運(yùn)動員平時要加強(qiáng)腿部彈跳力和奔跑速度的訓(xùn)練；第二，運(yùn)動員在跳遠(yuǎn)時要在適當(dāng)?shù)木嚯x內(nèi)助跑，接近起跳板前要加速，力爭獲得較大起跳速度；第三，起跳時，腳要用力向后下方蹬起跳板，成“騰空步”狀，根據(jù)牛頓第三定律，這樣做可以使運(yùn)動員獲得較大的向上前方的反作用力；另外，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，這樣做可以使運(yùn)動員在起跳過程中，能有更多的彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能，從而獲得較大的速度、增大跳遠(yuǎn)距離；第四，起跳成“騰空步”后，應(yīng)使擺動腿向后快速下放擺動、用力向前伸展胸腰、雙手向后擺動，靠身體內(nèi)肌肉伸縮，通過相應(yīng)的內(nèi)力做正功，來增加跳遠(yuǎn)運(yùn)動員的動能，延長其在空中“飛行”的時間，增加跳遠(yuǎn)距離；最后，運(yùn)動員落地時，身體要內(nèi)收，降低重心位置，增加落地時身體的穩(wěn)度[7]。3.4滑雪運(yùn)動正是由于重力的存在。才使高山滑雪者在下滑時能達(dá)到驚人的速度。不過。雖然重力對于滑雪者來說是一種極其重要的作用力，但在下滑過程中如不對其進(jìn)行一定的控制，滑雪者就會像一列脫軌的火車那樣筆直地沖下傾斜的雪道。這是十分危險的。為了對下滑的速度有所控制與確保安全，滑雪者必須通過不斷轉(zhuǎn)彎，沿“”形路線滑下坡道。干凈利落的的快速轉(zhuǎn)彎不僅能使滑雪者保持對身體良好的控制，同時也是縮短下坡時間的秘訣所在?；┻\(yùn)動員轉(zhuǎn)彎動作之所以如此精準(zhǔn)漂亮，得歸功于他們充分利用了牛頓第三定律，也就是作用力與反作用力。在進(jìn)行高山滑雪時，如果回轉(zhuǎn)技術(shù)掌握的好，不僅會在雪面上留下光滑的“”形弧線而且還能減少滑雪板因?yàn)榇蚧皖潉佣哪芰?。從物理學(xué)的角度來說，沒有打滑的完美回轉(zhuǎn)會帶來最佳的滑雪表現(xiàn)，而滑雪板