用力學(xué)來(lái)分析研究拔河比賽中運(yùn)動(dòng)員的身體姿勢(shì)

摘 要：拔河比賽是一種常見(jiàn)的集體體育活動(dòng)，比賽時(shí)人們認(rèn)為力氣很重要，但如果力氣相當(dāng)，運(yùn)動(dòng)員的拔河姿勢(shì)又該怎樣？帶著問(wèn)題筆者決定用所學(xué)習(xí)的力學(xué)知識(shí)，結(jié)合理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為您分析、研究拔河時(shí)運(yùn)動(dòng)員應(yīng)該保持怎樣的身體姿勢(shì)，盡可能地呈現(xiàn)出一個(gè)定量的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：拔河；力氣；力矩；摩擦力；姿勢(shì)

拔河比賽是一種常見(jiàn)的集體體育活動(dòng)。進(jìn)入高三，為了放松心情、凝聚團(tuán)結(jié)、激發(fā)拼搏的精神，我們年級(jí)舉行了班級(jí)間的拔河比賽。比賽時(shí)人們認(rèn)為力氣很重要，但如果力氣相當(dāng)，運(yùn)動(dòng)員拔河時(shí)的身體姿勢(shì)又該怎樣？咨詢了體育老師，也沒(méi)有得到一個(gè)明確的答案。這引起了筆者的研究興趣，筆者決定用所學(xué)習(xí)的力學(xué)知識(shí)，從力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞矫嫒シ治?、研究盡可能地得出一個(gè)定量的結(jié)果。

一、 力學(xué)理論分析拔河中運(yùn)動(dòng)員身體姿勢(shì)

由運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，如圖1所示拔河時(shí)運(yùn)動(dòng)員身體運(yùn)動(dòng)分身體在地面摩擦力作用下水平面內(nèi)的平動(dòng)和以腳為軸在重力作用下的轉(zhuǎn)動(dòng)兩種形式。

由水平面內(nèi)某一隊(duì)運(yùn)動(dòng)員為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，如圖2知拔河贏的一方必須盡可能地增大地面的摩擦力，人才會(huì)向著自己的一方移動(dòng)。

以某一隊(duì)運(yùn)動(dòng)員為研究對(duì)象，假定繩上拉力過(guò)人的重心（如果拉力不過(guò)人的重心，拉力會(huì)對(duì)重心有力矩作用，手會(huì)繞重心旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致身體上身或下身變形，所以拔河時(shí)從技術(shù)上首先應(yīng)當(dāng)保證人的拉力方向通過(guò)人體的重心。），如圖3、4、5所示，以腳為支點(diǎn)，由力矩分析，拔河過(guò)程中人要產(chǎn)生動(dòng)力矩，所以人必須保持后仰姿勢(shì)，如圖五。

拔河過(guò)程中要盡可能地增加動(dòng)力矩，由力矩M=FL知，即增加重力（盡可能選擇體重重的同學(xué)參加）和動(dòng)力臂都可改變力矩。如圖五動(dòng)力臂L1=LCOSθ（L為人豎直站立時(shí)重心到地面的高度、θ為人后仰時(shí)身體與地面之間的夾角），若要增加動(dòng)力臂，要盡可能地增加L和減小θ。即盡量選擇身高高的人為運(yùn)動(dòng)員并要讓運(yùn)動(dòng)員盡量地身體保持繃直狀態(tài)而使L盡量地大，且在保證人不會(huì)倒（若人所受到的摩擦力力矩小于地面支持力力矩，人將會(huì)繞重心發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，即我們所說(shuō)的滑倒。）的前提下讓?duì)茸銐虻男　?/p>

二、 實(shí)驗(yàn)研究拔河中運(yùn)動(dòng)員的姿勢(shì)

首先，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行理想化研究，將一隊(duì)運(yùn)動(dòng)員，簡(jiǎn)化為一個(gè)運(yùn)動(dòng)員，并選取一個(gè)均勻的木棒代替運(yùn)動(dòng)員。

圖6

其次，如圖6由力矩平衡可知，運(yùn)動(dòng)員倒下去之前的瞬間摩擦力的力矩與支持力的力矩平衡，滿足FfL1=FNL2。則有μFNL1=FNL2（μ為接觸面間的動(dòng)摩擦因素），設(shè)θ為人后仰時(shí)身體與地面之間的夾角，則μ=L2L1=cotθ。利用控制變量法，保持L0不變、重力不變，改變接觸面的粗糙程度，研究人后仰時(shí)身體與地面之間的夾角θ，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定木棒-光滑桌面——θ=80°、木棒—水泥路面——59°、木棒—橡膠——θ=50°、木棒—干毛巾——θ=30°。由此可看出隨著動(dòng)摩擦因數(shù)的增加，θ減小?？紤]到拔河時(shí)的實(shí)際路面，人后仰時(shí)身體與地面之間的夾角大致應(yīng)保存在45°左右。地面比較粗糙，人后仰時(shí)身體與地面之間的夾角略小于45°；地面比較光滑，人后仰時(shí)身體與地面之間的夾角略大于45°。

此次分析與實(shí)驗(yàn)研究我收獲頗多，讓筆者認(rèn)識(shí)到研究實(shí)際問(wèn)題往往都比較復(fù)雜。在研究拔河運(yùn)動(dòng)時(shí)，除了研究涉及的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)也忽略了很多因素；明白了理論研究和實(shí)驗(yàn)探究是研究解決問(wèn)題的有效方法。在學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中找到了學(xué)習(xí)的快樂(lè)，對(duì)學(xué)習(xí)更加有信心了。

作者簡(jiǎn)介：成冰璠，陜西省榆林市，神木縣神木中學(xué)。