鄧學(xué)明
(浙江科技學(xué)院理學(xué)院 浙江 杭州 310023)
人走路、跑步與汽車行駛的共同點(diǎn),都是與地面相接觸的部分主動(dòng)對(duì)地面施加了力;腳和車輪對(duì)地面施加了力,腳、車輪和地面都要發(fā)生形變.由于作用力與反作用力關(guān)系,地面對(duì)人或車施加了反作用力,從而使質(zhì)心產(chǎn)生了加速度.人跑步獲得了動(dòng)能,能量不是來自體外,而是來自體內(nèi).
那么,人跑起來的動(dòng)力到底來自哪里?
根據(jù)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定律“系統(tǒng)的動(dòng)量變化率等于外力之和”.人跑起來的動(dòng)力來自外力;從能量的角度來說,人跑步獲得的動(dòng)能來自人體內(nèi),能量的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移伴隨著內(nèi)力做功.綜合來看,人跑起來的動(dòng)力來自由內(nèi)力引起的外力.內(nèi)力不管多么大,真正有效能夠使物體質(zhì)心產(chǎn)生平動(dòng)的是能夠引起外力的內(nèi)力,而不能夠引起外力的內(nèi)力對(duì)物體質(zhì)心產(chǎn)生平動(dòng)是沒有貢獻(xiàn)的.
“內(nèi)力引起外力”有什么重要意義?
人的走路、跑跳等活動(dòng),汽車的行駛,動(dòng)物的捕食活動(dòng)都是系統(tǒng)的自主活動(dòng),都是系統(tǒng)內(nèi)力引起外力的表現(xiàn).系統(tǒng)的“內(nèi)力引起外力”是系統(tǒng)自主活動(dòng)的基礎(chǔ).
內(nèi)力引起外力的理論基礎(chǔ)是什么?
質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定律告訴我們,作用在質(zhì)點(diǎn)系上的外力矢量和等于質(zhì)點(diǎn)系總質(zhì)量與質(zhì)心加速度的乘積[1],質(zhì)心的加速度僅與合外力有關(guān)而與內(nèi)力無直接關(guān)系.實(shí)際上,質(zhì)點(diǎn)系所受的外力可能與內(nèi)力有關(guān)(內(nèi)力引起外力的變化),也可能與內(nèi)力無關(guān)[2].人體的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)定然是人體內(nèi)力變化引起外力變化,變化的外力使人體質(zhì)心產(chǎn)生加速度,也就是說,人體直接通過肌肉的收縮與舒張引起各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng);而當(dāng)人體和與人接觸的外界發(fā)生相互作用時(shí),又將引起整個(gè)人體(質(zhì)心)的運(yùn)動(dòng)[3].這就是人跑起來的動(dòng)力來源——外接觸力.
從和接觸面上的關(guān)系來看,接觸力分為切向力和法向力.從性質(zhì)上來說,切向力指摩擦力,而法向力指彈力.對(duì)跑步有貢獻(xiàn)的是平行地面向前的力.從接觸力作用點(diǎn)與人體質(zhì)心的距離變化上看,跑步是人體做周期性擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)(指接觸力點(diǎn)與質(zhì)心的距離變大的運(yùn)動(dòng))與收縮運(yùn)動(dòng)(指接觸力點(diǎn)與質(zhì)心的距離變小的運(yùn)動(dòng)),擴(kuò)張性運(yùn)動(dòng)與收縮性運(yùn)動(dòng)交替進(jìn)行.人體發(fā)力蹬地是接觸地面的末端做伸長(zhǎng)形變的擴(kuò)張性運(yùn)動(dòng),而騰空至落地緩沖是末端做收縮形變的收縮性運(yùn)動(dòng),充分利用重力有助于提高收縮性運(yùn)動(dòng)的效率.
人體擴(kuò)張性運(yùn)動(dòng)與收縮性運(yùn)動(dòng)的交替引起接觸外力.
從中可以看出,質(zhì)心加速度是質(zhì)點(diǎn)系各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的加速度的質(zhì)量加權(quán)平均值.只要某一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的加速度發(fā)生了改變,質(zhì)心的加速度定然會(huì)發(fā)生改變.而當(dāng)質(zhì)心的加速度發(fā)生了改變,質(zhì)點(diǎn)系所受到的合外力必然改變.當(dāng)質(zhì)點(diǎn)系的內(nèi)力引起某個(gè)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生加速度,質(zhì)心的加速度就要改變.由于在沒有受到外力的時(shí)候,質(zhì)心總保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài),質(zhì)點(diǎn)系的其他質(zhì)點(diǎn)就會(huì)調(diào)整而使質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變.在質(zhì)點(diǎn)系調(diào)整的過程中若和外界接觸,就會(huì)對(duì)與之接觸的外界產(chǎn)生力的作用;反過來,被接觸的外界就對(duì)質(zhì)點(diǎn)系產(chǎn)生了反作用,也就是外界對(duì)質(zhì)心產(chǎn)生了力的作用,質(zhì)心受到了外力,有了加速度,質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了改變.
人體直接通過肌肉的收縮與舒張引起各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng),關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)與和人體接觸的外界發(fā)生作用,受到作用的外界對(duì)人體施加反作用;外界的反作用引起整個(gè)人體(質(zhì)心)的運(yùn)動(dòng).在走路、跑步的過程中,人可以通過腳主動(dòng)形變對(duì)接觸地面發(fā)力——主動(dòng)發(fā)力;也可以通過控制腿的擺動(dòng)、雙臂的擺動(dòng)來增大與地面接觸的支撐腿對(duì)地面的作用——被動(dòng)發(fā)力.人的主動(dòng)發(fā)力還好理解.怎么理解在跑步的過程中,人通過控制腿的擺動(dòng)、雙臂的擺動(dòng)來增大與地面接觸的支撐腿對(duì)地面的作用呢?可以認(rèn)為,控制腿的加速前擺(或雙臂的加速擺動(dòng)),人體的質(zhì)心與地面的接觸力的作用點(diǎn)的水平距離就會(huì)增加,人體的內(nèi)力引起某部分產(chǎn)生加速度,人體質(zhì)心的加速度就要改變.由于在沒有受到外力的時(shí)候,質(zhì)心總保持其靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài),人體的其他部分就會(huì)調(diào)整而使質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變.這時(shí)人體的另一條腿就會(huì)加速向后蹬地,對(duì)地施加更大的作用力;反過來,地對(duì)人就施加了更大的反作用力.“當(dāng)肌肉牽動(dòng)人體某部分運(yùn)動(dòng)時(shí),必須要同時(shí)牽引人體的另外一部分作相反的運(yùn)動(dòng).”[5]實(shí)際上是質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心慣性的一個(gè)體現(xiàn),是內(nèi)力引起質(zhì)心不變性的一個(gè)體現(xiàn).
擺腿,大量科學(xué)研究表明,產(chǎn)生較高跑速的原因是有力的擺腿,而不是快速蹬地[5].這句話有一定道理.
從功與能的角度看跑步過程外力做功的情況如何呢?
有的作者認(rèn)為,物體上“承力點(diǎn)的位移”即力點(diǎn)位移s,可分解為受力物體質(zhì)心的位移sc;力的作用點(diǎn)相對(duì)質(zhì)心的位移,即物體形變位移sx;物體轉(zhuǎn)動(dòng)變化時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)位移φ×r,其中φ為角位移.它們的關(guān)系是
s=sc+sx+φ×r
根據(jù)功的公式
“髖與腿腳的關(guān)系就好比汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)與輪子的關(guān)系一樣.汽車跑得快,表面上是輪子轉(zhuǎn)得快,實(shí)際上是發(fā)動(dòng)機(jī)在起作用.”[6]這種比喻并不恰當(dāng).人體的轉(zhuǎn)髖、后伸大腿、伸小腿、屈踝關(guān)節(jié)、屈趾關(guān)節(jié)、前擺大腿、擺臂都是發(fā)動(dòng)機(jī).腳不僅僅是“汽車的輪子”,腳還能夠主動(dòng)形變來發(fā)力,而輪子不能.汽車要跑得快除了發(fā)動(dòng)機(jī)要好,還要輪子好.不信!爆胎的汽車能跑得快?劣質(zhì)的輪胎能上高速?人要跑得快,腳的技術(shù)相當(dāng)重要,從跑鞋的講究到博爾特的出眾的踝關(guān)節(jié)的力量與靈活性,都說明了與地面頻繁接觸的腳的重要.
人跑起來的動(dòng)力來自“內(nèi)力引起的外力”.內(nèi)力引起外力的“擴(kuò)張性運(yùn)動(dòng)與收縮性運(yùn)動(dòng)以及滾動(dòng)式運(yùn)動(dòng)”是值得探討的.內(nèi)力主動(dòng)引起外力的發(fā)力的順序一般是從人體的總重心近端大肌群開始發(fā)力到遠(yuǎn)端小肌群用力終止,由大肌群到小肌群,由大關(guān)節(jié)到小關(guān)節(jié),大肌肉群帶動(dòng)小肌肉群,大關(guān)節(jié)帶動(dòng)小關(guān)節(jié),這些仍然需要一番論證.
參考文獻(xiàn)
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