奔跑與力學(xué)

許多人都喜歡進(jìn)行體育活動(dòng)或者觀看各種運(yùn)動(dòng)比賽，但在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)是否想過(guò)體育運(yùn)動(dòng)與物理學(xué)也有著密切的關(guān)系呢？當(dāng)我們觀看亞洲飛人劉翔令人激動(dòng)不已的比賽時(shí)，許多人都陶醉在領(lǐng)略運(yùn)動(dòng)之美中，其實(shí)，在奔跑中也蘊(yùn)含著物理的力學(xué)知識(shí)。

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，則其平均速率為8.28米／秒。如果以此速率跑100米，就要12.0秒。

設(shè)有體力相同的A、B兩人，分別采用圖(a)和(b)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，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能著地跑完一步。這樣，步幅自然較小。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，故前進(jìn)速度較小。故(a)跑得比(b)為慢。

每跑一步的速度，是由前一步保留下的的速度(慣性)以及下一步發(fā)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，如圖(c)所示。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α叫做后蹬角。

F可分解為F1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α決定F1和F2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，視體力與技巧而定。

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，如圖(d)所示，這動(dòng)作叫做前蹬。前蹬地面的力R和地面的夾角β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。

由圖可知，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。