博爾特百米神奇挑戰(zhàn)科學(xué)

張　浩

在北京，博爾特打破了所有的科學(xué)常識(shí)，因?yàn)樗粌H跑出了每小時(shí)43.902公里的最高速度，而且他居然在50米至80米的那段距離一直保持了這個(gè)速度：他只用了2秒46的時(shí)間就跑完了這個(gè)30米，這是人類有史以來的最佳紀(jì)錄。這個(gè)階段也是他打破百米世界紀(jì)錄的關(guān)鍵。令人難以置信的是，盡管他在最后階段（73米處，第32步）就開始慶祝勝利，但博爾特還是在80米至90米之間跑出了43.373公里每小時(shí)的速度，甚至在最后10米減速的時(shí)候他的速度仍然達(dá)到了每小時(shí)40公里。對(duì)于博爾特的表現(xiàn)，似乎沒有什么科學(xué)理論可以解釋。被認(rèn)為是世界上最好的生物力學(xué)專家、來自印第安納大學(xué)的人體力學(xué)教授赫蘇斯·達(dá)佩納就表示：“我完全無法理解這個(gè)人（博爾特）是怎么做到這一切的。我想其他所有人也都無法真正理解?！边_(dá)佩納后來給出了一個(gè)再簡(jiǎn)單不過的解釋，那就是：“很簡(jiǎn)單，這個(gè)人的肌肉比他的對(duì)手都要好?！?/p>

原創(chuàng)試題

1. 在2008北京奧運(yùn)會(huì)中，很多運(yùn)動(dòng)員都創(chuàng)下了新的世界紀(jì)錄，短跑名將博爾特以9秒69的成績(jī)獲得北京奧運(yùn)會(huì)男子100米金牌。博爾特之所以能夠取得冠軍，取決于他在100米賽程中的（）

A. 某時(shí)刻的瞬時(shí)速度大

B. 加速過程的加速度大

C. 平均速度大

D. 起跑時(shí)的加速度大

2. 2008年8月16日，劉翔進(jìn)行了最后一次的賽前模擬真實(shí)比賽狀況的訓(xùn)練，然而，意外就這樣發(fā)生了。起跑過程中，劉翔在蹬踏助跑的環(huán)節(jié)中，用力過猛，造成起跑器側(cè)移，牽動(dòng)了之前的跟腱舊傷，就是這個(gè)小小的失誤，成了劉翔傷病爆發(fā)的直接導(dǎo)火索，并最終致使他遺憾地退出了苦等四年的北京奧運(yùn)會(huì)。起跑器對(duì)提高短跑運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)起著非常重要的作用。以下物理知識(shí)與起跑器原理有關(guān)的是（）

A. 動(dòng)量守恒定律

B. 牛頓第一定律

C. 牛頓第三定律

D. 力的分解

3. 跑步的物理過程比較復(fù)雜，比如一次跨步的過程，假設(shè)右腳先用力蹬地，然后騰空躍起，最后左腳觸地，完成一次跨步，再才是左腳用力蹬地開始下一次跨步。人能夠迅速奔跑，很大程度上取決于后腳蹬地的作用力的大小和該力的方向與地面的夾角大小，這個(gè)夾角稱為后蹬角，為了得到最大的水平速度，短跑的后蹬角應(yīng)在52°～60°之間，幾乎可以忽略豎直速度。在2008年北京奧運(yùn)會(huì)中，博爾特以9秒69的成績(jī)獲得男子100米金牌，并刷新了百米世界紀(jì)錄。假設(shè)博爾特在加速階段用5秒時(shí)間將速度由0提至12米/秒，高素質(zhì)運(yùn)動(dòng)員前腳觸地技術(shù)可以忽略觸地產(chǎn)生的阻力，所以可把博爾特的加速奔跑看為博爾特在恒力作用下沿水平方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。如果博爾特加速時(shí)的后蹬角為60°，他的質(zhì)量為60千克，試確定博爾特在加速運(yùn)動(dòng)時(shí)后腳蹬地的作用力的大小。

4. 一個(gè)業(yè)余短跑運(yùn)動(dòng)員從靜止開始奔跑，經(jīng)過4秒能加速到最大速度10米/秒，并能維持這個(gè)速度較長一段時(shí)間。一個(gè)專業(yè)短跑運(yùn)動(dòng)員從靜止開始奔跑，經(jīng)過4秒能加速到最大速度12米/秒，但只能維持這個(gè)速度6秒。專業(yè)運(yùn)動(dòng)員與業(yè)余運(yùn)動(dòng)員在加速運(yùn)動(dòng)階段都是做勻加速運(yùn)動(dòng)，且均沿同一直線奔跑。假設(shè)專業(yè)運(yùn)動(dòng)員在業(yè)余運(yùn)動(dòng)員后方X米處。

（1）如果兩名運(yùn)動(dòng)員朝同一方向同時(shí)起跑，專業(yè)運(yùn)動(dòng)員要在勻速階段追到業(yè)余運(yùn)動(dòng)員，求X的取值范圍。

（2）假設(shè)X=18米，兩名運(yùn)動(dòng)員仍然朝同一方向同時(shí)起跑，專業(yè)運(yùn)動(dòng)員10秒后開始減速，可視為勻減速運(yùn)動(dòng)，其加速度大小為2米/平方秒。試通過計(jì)算判斷專業(yè)運(yùn)動(dòng)員能否追上業(yè)余運(yùn)動(dòng)員。