跑道上的物理知識(shí)

顏士州

跑步，作為田徑運(yùn)動(dòng)的一種，已然受到全民熱愛。不同的跑步項(xiàng)目，遵循著不同的法則，而且有各自的規(guī)范要求。這些法則和要求中包含著許多物理學(xué)原理，且嚴(yán)格遵守自然界的有關(guān)規(guī)律。了解并掌握這些規(guī)律，對(duì)我們提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)，十分有益！

風(fēng)是怎樣影響運(yùn)動(dòng)成績(jī)的

在一次國(guó)際性田徑比賽中，優(yōu)秀青年運(yùn)動(dòng)員沙爾林第一次參加比賽，就以9秒95的成績(jī)刷新了百米賽跑的洲紀(jì)錄，并平了世界紀(jì)錄?？墒鞘赂舨痪茫瑖?guó)際田聯(lián)在公布各大洲新紀(jì)錄時(shí)，卻因沙爾林違背《田徑競(jìng)賽規(guī)則》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)則》）中有關(guān)風(fēng)速的規(guī)定，對(duì)其取得的成績(jī)不予承認(rèn)。這到底是怎么回事呢？

原來(lái)，《規(guī)則》中明文規(guī)定：在進(jìn)行距離200米和200米以下的徑賽，以及跳遠(yuǎn)和三級(jí)跳遠(yuǎn)等項(xiàng)目時(shí)，凡順風(fēng)時(shí)平均風(fēng)速的分速超過(guò)2米/秒，所創(chuàng)紀(jì)錄不予承認(rèn)。盡管在那場(chǎng)比賽中，掌握風(fēng)速儀的工作人員，測(cè)報(bào)的順風(fēng)平均風(fēng)速的分速是2米/秒，但當(dāng)時(shí)氣象衛(wèi)星遙測(cè)的實(shí)際值卻是4米/秒。因此，沙爾林的成績(jī)被判無(wú)效。

那么，平均風(fēng)速及分速又是怎樣影響運(yùn)動(dòng)成績(jī)的呢？

某地區(qū)、某段時(shí)間內(nèi)空氣流動(dòng)的平均速度叫做平均風(fēng)速（V），它在跑道直道方向上的分量（Vt），就是《規(guī)則》中指出的平均風(fēng)速的分速。我們知道，空氣會(huì)從氣壓高的地方流向氣壓低的地方，各地區(qū)的風(fēng)向、風(fēng)力也會(huì)隨時(shí)間變化。物理學(xué)告訴我們，力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。運(yùn)動(dòng)員在跑進(jìn)過(guò)程中，除了受到重力的作用外，還受到跨步時(shí)腳蹬離地面的反作用推進(jìn)力（嚴(yán)格地說(shuō)，是受到地面支撐力和靜摩擦力的合力影響）。前者是個(gè)恒力，而后者是個(gè)間斷作用的瞬時(shí)力，運(yùn)動(dòng)員的跑進(jìn)就是在這兩個(gè)力的共同作用下實(shí)現(xiàn)的。

如果在運(yùn)動(dòng)員跑進(jìn)的方向上出現(xiàn)其他力的作用，顯然會(huì)影響其跑進(jìn)速度。這些所謂的其他力，一般是可以避免的，只有空氣阻力與風(fēng)力是避免不了的?？諝庾枇υ谶\(yùn)動(dòng)員跑進(jìn)時(shí)總是存在，并且跑得速度越快阻力就越大。但是當(dāng)順風(fēng)時(shí)，風(fēng)速越快阻力就越小。因此，運(yùn)動(dòng)員在順風(fēng)中跑進(jìn)時(shí)，不僅身后有了風(fēng)力的幫助，而且身前又少了空氣的阻力。這一加一減對(duì)運(yùn)動(dòng)員的幫助甚大，可使運(yùn)動(dòng)成績(jī)提高較多。反之，就會(huì)明顯地降低運(yùn)動(dòng)成績(jī)。

為了統(tǒng)一田徑比賽的標(biāo)準(zhǔn)，《規(guī)則》中對(duì)平均風(fēng)速及分速加以明文規(guī)定。由此可見，沙爾林的成績(jī)有外力影響，不予承認(rèn)也是理所當(dāng)然的。

雙臂擺動(dòng)有什么學(xué)問

短跑名將奧廉斯在一次國(guó)內(nèi)比賽中獲得百米冠軍，但其后成績(jī)提高并不快。后來(lái)，教練發(fā)現(xiàn)他的主要問題是雙臂擺動(dòng)成“八”字形，一直難以糾正。

一天，教練嚴(yán)肅地要他與自己的兒子比賽百米短跑。比賽分三次進(jìn)行，第一次要求奧廉斯的雙臂屈起抬平后，采用同時(shí)前、后擺的姿勢(shì)跑步；第二次要求他采用屈臂同向左右橫擺的姿勢(shì)跑步；第三次要求他采用直臂前后擺動(dòng)的姿勢(shì)跑步，而教練則要求他的兒子每次都用正確的擺臂姿勢(shì)跑步。結(jié)果，奧廉斯三次敗北。從此，奧廉斯糾正了擺臂姿勢(shì)，他的短跑成績(jī)也開始突飛猛進(jìn)，在各種國(guó)際比賽中率創(chuàng)佳績(jī)。

那么，什么才是正確的擺臂姿勢(shì)？它在短跑中又為何如此重要呢？

我們知道，跑步動(dòng)作主要是靠腿來(lái)完成的，即抬腿前擺、落地支撐、迅速后蹬和騰空跨步。但人體是個(gè)整體，除了腿的動(dòng)作外，還需要由雙臂配合雙腿動(dòng)作協(xié)調(diào)擺動(dòng)，維持身體平衡，確保運(yùn)動(dòng)員用全部力量推動(dòng)身體重心向前迅速移動(dòng)。因此，正確的擺臂姿勢(shì)應(yīng)是以肩為軸的屈臂前后交替動(dòng)作。

奧廉斯采用第一種雙臂同時(shí)前、后擺的方式，使人體的重心一會(huì)兒向前進(jìn)，一會(huì)兒向后移。這樣不僅影響了身體的平衡和重心的前進(jìn)速度，而且還使腿的后蹬動(dòng)作紊亂，直接減弱了腿部后蹬的力量。第二種雙臂同向左右橫擺的方式，也會(huì)在跑進(jìn)過(guò)程中使人體重心左右晃動(dòng)，減緩跑進(jìn)速度。第三種用雙臂直擺的姿勢(shì)，對(duì)重心運(yùn)動(dòng)的影響不大。但是，急跑時(shí)雙腿的跨步頻率較高，直臂擺動(dòng)的頻率完全落后。這時(shí)，雙臂擺動(dòng)不僅不能起促進(jìn)作用，反而會(huì)干擾和阻礙前進(jìn)。另外，直臂激烈擺動(dòng)非常消耗體力，這將直接影響運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)。

根據(jù)物理學(xué)原理，有規(guī)則形狀的均勻物體，它的重心位置就在其幾何中心上，且隨物體形狀的改變而改變。它可以在物體的體內(nèi)，也可以在體外。人體在活動(dòng)時(shí)，重心位置是不固定的。因此運(yùn)動(dòng)員想要跑得快，就必須使身體重心在跑進(jìn)過(guò)程中沿一定的直線或弧線迅速運(yùn)動(dòng)。這樣，就需要雙腿的跨步動(dòng)作來(lái)推進(jìn)重心運(yùn)動(dòng)，同時(shí)擺動(dòng)雙臂協(xié)調(diào)配合。

跑里圈與外圈誰(shuí)吃虧

威爾遜與湯姆本都是出色的田徑運(yùn)動(dòng)員，可是在一次地區(qū)性的運(yùn)動(dòng)會(huì)上，兩人都在擅長(zhǎng)的400米競(jìng)賽中名落孫山。

他們?cè)诜治鍪≡驎r(shí)互相埋怨。威爾遜認(rèn)為跑里圈彎小，容易發(fā)揮速度，幾個(gè)彎一拐就可以把外圈的人甩下一大段了。因此，他認(rèn)為這次湯姆失利是不應(yīng)該的。而湯姆卻認(rèn)為跑外圈彎大，容易跑出水平，并且有一定的“前伸數(shù)”，起跑時(shí)就可以遙遙領(lǐng)先。因此，他認(rèn)為這次比賽中威爾遜敗陣是沒有理由的。他們?yōu)檫@件事爭(zhēng)執(zhí)了好一陣子。最后，教練幫他們做了分析和解釋。

先看跑程問題。徑賽中各個(gè)項(xiàng)目只有在相同的跑程下，才能測(cè)量時(shí)間、跑速，分出名次。200米以上的分道跑的長(zhǎng)度同樣需要相等。由于各道的彎道半徑不同，才在各道出現(xiàn)了不同的“前伸數(shù)”。外圈彎道的弧線最長(zhǎng)，因此它的“前伸數(shù)”也最大，并且從外向里“前伸數(shù)”依次減少。跑道上各道直道部分是等長(zhǎng)的，因此各彎道部分的實(shí)際長(zhǎng)度也是等長(zhǎng)的。從這點(diǎn)來(lái)看，跑里圈的人并不吃虧，跑外圈的人也不能“先人一步”。因此，湯姆的觀點(diǎn)是沒有根據(jù)的。

再看彎道跑的要求。運(yùn)動(dòng)員在彎道上的跑進(jìn)可以看作是勻速圓周運(yùn)動(dòng)。在物理學(xué)中，作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體必然受到向心力的作用。同一物體的運(yùn)動(dòng)速度越大，其向心力也越大。在速度相同的情況下，向心力的大小與圓周運(yùn)動(dòng)的半徑成反比，即半徑越大，物體的向心力就越小。彎道跑運(yùn)動(dòng)員在跑進(jìn)時(shí)都需要通過(guò)讓身體適當(dāng)傾斜來(lái)獲得向心力，跑里圈的需要比跑外圈的身體更傾斜一些，以便獲得較大的向心力。然而，由于最里圈與最外圈的半徑相差不大，因此同樣速度跑進(jìn)時(shí)，其向心力也相差不大。經(jīng)過(guò)粗略計(jì)算，質(zhì)量均為60千克的兩名運(yùn)動(dòng)員，在標(biāo)準(zhǔn)400米跑道上的第1道和第6道，均以6米/秒的速度跑進(jìn)，則在這兩圈上他們將分別需要6.1千克（力）和5.2千克（力）的向心力。這樣大小的向心力對(duì)于一般運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，是可以通過(guò)自身傾斜后輕松獲得的。所以，威爾遜的觀點(diǎn)是一種錯(cuò)覺。

因此總的來(lái)看，在跑步比賽中，跑里圈和外圈的人，并不存在實(shí)際差別，可能更多的是一種心理上的優(yōu)劣勢(shì)。

生命在于運(yùn)動(dòng)。我們知道，任何優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)成績(jī)都與刻苦鍛煉密不可分，跑步也不例外。如果能夠掌握一些科學(xué)的運(yùn)動(dòng)方法，或許能幫助我們事半功倍！