《科学24小时》
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跑道上的物理知识
2016-08-26 16:39:00看似简单的跑步运动，你又了解多少其中不为人知的“秘密”呢？
跑步，作为田径运动的一种，已然受到全民热爱。不同的跑步项目，遵循着不同的法则，而且有各自的规范要求。这些法则和要求中包含着许多物理学原理，且严格遵守自然界的有关规律。了解并掌握这些规律，对我们提高运动成绩，十分有益！
风是怎样影响运动成绩的
在一次国际性田径比赛中，优秀青年运动员沙尔林第一次参加比赛，就以9 秒95 的成绩刷新了百米赛跑的洲纪录，并平了世界纪录。可是事隔不久，国际田联在公布各大洲新纪录时，却因沙尔林违背《田径竞赛规则》（以下简称《规则》）中有关风速的规定，对其取得的成绩不予承认。这到底是怎么回事呢？
原来，《规则》中明文规定：在进行距离200米和200 米以下的径赛，以及跳远和三级跳远等项目时，凡顺风时平均风速的分速超过2 米/秒，所创纪录不予承认。尽管在那场比赛中，掌握风速仪的工作人员，测报的顺风平均风速的分速是2 米/秒，但当时气象卫星遥测的实际值却是4 米/秒。因此，沙尔林的成绩被判无效。
那么，平均风速及分速又是怎样影响运动成绩的呢?
某地区、某段时间内空气流动的平均速度叫做平均风速(V)，它在跑道直道方向上的分量(Vt)，就是《规则》中指出的平均风速的分速。我们知道，空气会从气压高的地方流向气压低的地方，各地区的风向、风力也会随时间变化。物理学告诉我们，力是改变物体运动状态的原因。运动员在跑进过程中，除了受到重力的作用外，还受到跨步时脚蹬离地面的反作用推进力(严格地说，是受到地面支撑力和静摩擦力的合力影响)。前者是个恒力，而后者是个间断作用的瞬时力，运动员的跑进就是在这两个力的共同作用下实现的。
如果在运动员跑进的方向上出现其他力的作用，显然会影响其跑进速度。这些所谓的其他力，一般是可以避免的，只有空气阻力与风力是避免不了的。空气阻力在运动员跑进时总是存在，并且跑得速度越快阻力就越大。但是当顺风时，风速越快阻力就越小。因此，运动员在顺风中跑进时，不仅身后有了风力的帮助，而且身前又少了空气的阻力。这一加一减对运动员的帮助甚大，可使运动成绩提高较多。反之，就会明显地降低运动成绩。
为了统一田径比赛的标准，《规则》中对平均风速及分速加以明文规定。由此可见，沙尔林的成绩有外力影响，不予承认也是理所当然的。
双臂摆动有什么学问
短跑名将奥廉斯在一次国内比赛中获得百米冠军，但其后成绩提高并不快。后来，教练发现他的主要问题是双臂摆动成“八”字形，一直难以纠正。
一天，教练严肃地要他与自己的儿子比赛百米短跑。比赛分三次进行，第一次要求奥廉斯的双臂屈起抬平后，采用同时前、后摆的姿势跑步；第二次要求他采用屈臂同向左右横摆的姿势跑步；第三次要求他采用直臂前后摆动的姿势跑步，而教练则要求他的儿子每次都用正确的摆臂姿势跑步。结果，奥廉斯三次败北。从此，奥廉斯纠正了摆臂姿势，他的短跑成绩也开始突飞猛进，在各种国际比赛中率创佳绩。
那么，什么才是正确的摆臂姿势？它在短跑中又为何如此重要呢?我们知道，跑步动作主要是靠腿来完成的，即抬腿前摆、落地支撑、迅速后蹬和腾空跨步。但人体是个整体，除了腿的动作外，还需要由双臂配合双腿动作协调摆动，维持身体平衡，确保运动员用全部力量推动身体重心向前迅速移动。因此，正确的摆臂姿势应是以肩为轴的屈臂前后交替动作。
奥廉斯采用第一种双臂同时前、后摆的方式，使人体的重心一会儿向前进，一会儿向后移。这样不仅影响了身体的平衡和重心的前进速度，而且还使腿的后蹬动作紊乱，直接减弱了腿部后蹬的力量。第二种双臂同向左右横摆的方式，也会在跑进过程中使人体重心左右晃动，减缓跑进速度。第三种用双臂直摆的姿势，对重心运动的影响不大。但是，急跑时双腿的跨步频率较高，直臂摆动的频率完全落后。这时，双臂摆动不仅不能起促进作用，反而会干扰和阻碍前进。另外，直臂激烈摆动非常消耗体力，这将直接影响运动员的成绩。根据物理学原理，有规则形状的均匀物体，它的重心位置就在其几何中心上，且随物体形状的改变而改变。它可以在物体的体内，也可以在体外。人体在活动时，重心位置是不固定的。因此运动员想要跑得快，就必须使身体重心在跑进过程中沿一定的直线或弧线迅速运动。这样，就需要双腿的跨步动作来推进重心运动，同时摆动双臂协调配合。
跑里圈与外圈谁吃亏
威尔逊与汤姆本都是出色的田径运动员，可是在一次地区性的运动会上，两人都在擅长的400 米竞赛中名落孙山。
他们在分析失败原因时互相埋怨。威尔逊认为跑里圈弯小，容易发挥速度，几个弯一拐就可以把外圈的人甩下一大段了。因此，他认为这次汤姆失利是不应该的。而汤姆却认为跑外圈弯大，容易跑出水平，并且有一定的“前伸数”，起跑时就可以遥遥领先。因此，他认为这次比赛中威尔逊败阵是没有理由的。他们为这件事争执了好一阵子。最后，教练帮他们做了分析和解释。
先看跑程问题。径赛中各个项目只有在相同的跑程下，才能测量时间、跑速，分出名次。200 米以上的分道跑的长度同样需要相等。由于各道的弯道半径不同，才在各道出现了不同的“前伸数”。外圈弯道的弧线最长，因此它的“前伸数”也最大，并且从外向里“前伸数”依次减少。跑道上各道直道部分是等长的，因此各弯道部分的实际长度也是等长的。从这点来看，跑里圈的人并不吃亏，跑外圈的人也不能“先人一步”。因此，汤姆的观点是没有根据的。再看弯道跑的要求。运动员在弯道上的跑进可以看作是匀速圆周运动。在物理学中，作匀速圆周运动的物体必然受到向心力的作用。同一物体的运动速度越大，其向心力也越大。在速度相同的情况下，向心力的大小与圆周运动的半径成反比，即半径越大，物体的向心力就越小。弯道跑运动员在跑进时都需要通过让身体适当倾斜来获得向心力，跑里圈的需要比跑外圈的身体更倾斜一些，以便获得较大的向心力。然而，由于最里圈与最外圈的半径相差不大，因此同样速度跑进时，其向心力也相差不大。经过粗略计算，质量均为60千克的两名运动员，在标准400 米跑道上的第1 道和第6 道，均以6 米/秒的速度跑进，则在这两圈上他们将分别需要6.1 千克(力)和5.2 千克(力)的向心力。这样大小的向心力对于一般运动员来说，是可以通过自身倾斜后轻松获得的。所以，威尔逊的观点是一种错觉。
因此总的来看，在跑步比赛中，跑里圈和外圈的人，并不存在实际差别，可能更多的是一种心理上的优劣势。生命在于运动。我们知道，任何优异的运动成绩都与刻苦锻炼密不可分，跑步也不例外。如果能够掌握一些科学的运动方法，或许能帮助我们事半功倍！
