審核專家:羅會仟(中國科學(xué)院物理研究所副研究員)
(資料圖片)
說起秋千,想必大家一定不陌生,秋千承載著我們成長的歡樂,總能勾起我們美好的回憶。借助一塊木板,兩根繩索,就能在空中悠蕩。不過,你知道在我們蕩秋千的時候,是哪些科學(xué)原理讓秋千載著我們越蕩越高嗎?
秋千的起源
秋千運(yùn)動在中國的歷史相當(dāng)悠久。遠(yuǎn)古時期,我們的靈長類祖先為了上樹采摘野果、逃避或獵殺野獸在攀巖和奔跑中上樹或越過鴻溝,出于本能機(jī)械地用手臂抓住蔓生植物,依靠藤條的擺動獲取高處的食物,這使秋千有了原始的雛形。
米諾斯文明末期的文物,表現(xiàn)人物蕩秋千的樣子
來源丨維基百科
經(jīng)過長期的演進(jìn)和進(jìn)化,到了人類的文明時代,許多地方都出現(xiàn)了早期的秋千,這一點(diǎn)在很多考古研究中都有所體現(xiàn),例如希臘的米諾斯文明以及我國春秋時期北方的山戎民族等。蕩秋千慢慢成為一種娛樂方式,樣式也越來越多。秋千這項(xiàng)運(yùn)動廣泛流傳逐漸普及全國,受到廣大人民群眾的歡迎。
來源丨電影劇照
唐宋時期,人們生活水平逐漸提升,隨后秋千運(yùn)動進(jìn)而演變成了節(jié)日的狂歡項(xiàng)目和娛樂媒介。清明節(jié)也被稱為“秋千節(jié)”,一些傳說中認(rèn)為蕩秋千可以驅(qū)除百病。
民間的人們也在每個清明時節(jié)郊游踏青,并用竹子搭架秋千,就此盡情舞蕩和玩耍嬉戲?,F(xiàn)如今,秋千在華夏已經(jīng)有上千年的歷史了,它見證了朝代的興亡更替,也留下了民族的烙印。秋千已經(jīng)發(fā)展成一種藝術(shù)的化身,集功能和娛樂為一體,并賦予很多美感,讓人賞心悅目的同時也不失其趣味性。
秋千是個物理現(xiàn)象
秋千實(shí)際上可以被看作簡單的力學(xué)系統(tǒng),它所受的外力有兩個:一個是垂直向下的重力;另一個是沿著秋千繩方向的約束力。蕩秋千最簡單的玩法就是在秋千板上坐著,等著別人來用力推著蕩。這時的秋千的運(yùn)動類似于單擺的運(yùn)動,但由于空氣阻力以及摩擦阻力會阻礙秋千的擺動,因此秋千擺動的幅度會越來越小,直到停止。
如果此時一個人在旁邊施加外力不斷地推,就會使秋千越蕩越高。當(dāng)秋千蕩到最高點(diǎn)時,順著秋千繼續(xù)擺動的方向施加一個外力,就能將秋千推得更高;但是如果施加一個與秋千運(yùn)動方向相反的力,此時外力會阻礙秋千的運(yùn)動從而使秋千的高度減小。
在我們蕩秋千時,向下蕩的過程會有短暫的失重感,我們可能會感覺到緊張和恐懼。當(dāng)秋千越蕩越高,快速下蕩的時候,人體受到離心力的影響,小腹處感到輕微壓迫,會有種想要尿出來的感覺。在蕩秋千的過程中不斷克服緊張和恐懼,能夠增強(qiáng)自我控制能力,有利于身心健康。此外,經(jīng)常蕩秋千的人乘車或坐船也很少發(fā)暈。
秋千如何越蕩越高?
如何不依靠地面外力讓秋千維持?jǐn)[動和蕩得更高,是每個參與秋千運(yùn)動的人都希望達(dá)到的目標(biāo)。
觀察蕩秋千時,我們可以發(fā)現(xiàn),那些蕩秋千越蕩越高的人總有站起或下蹲的動作。這時雖然沒有外力推動,但人所做的動作實(shí)際上增加了系統(tǒng)能量。因此,當(dāng)考慮阻力時,只要人體動作轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的能量大于因克服阻力做功而消耗的能量,則秋千就會越蕩越高。
來源丨百度百科
人體和秋千系統(tǒng)的重心可以簡化為一個質(zhì)點(diǎn),重心位置隨著姿勢的改變而發(fā)生改變,屈膝蹲下時重心偏低,而伸腿站起時重心偏高。秋千在高處,人如果是站立的,系統(tǒng)的重心最高,重力勢能最大,動能最小。
在秋千由高處回?cái)[過程中,人開始下蹲,重心位置往下移,整個系統(tǒng)的重力勢能也在不斷轉(zhuǎn)化為動能,速度也越來越快,直到秋千回到最低點(diǎn)的時候,速度最快,系統(tǒng)的動能達(dá)到最大、重力勢能最小。如果這個過程人沒有下蹲,系統(tǒng)的動能增加幅度不會那么大,反而會因?yàn)樽枇Σ粩鄵p耗。
在秋千由最低處上擺的過程中,人開始迅速站立,使得重心升高,勢能增加,動能減少速度變緩,系統(tǒng)總的機(jī)械能實(shí)際上是增加的,最終秋千也會比上一次蕩的更高。這是因?yàn)槿梭w消耗自身能量克服重力做了功,所以會感覺到腿腳很用力,時間久了會很疲勞。
如下圖所示,將蕩秋千過程視為單擺運(yùn)動,紅色區(qū)域?yàn)榍鞍氤?,藍(lán)色區(qū)域?yàn)楹蟀氤?,通過改變自身狀態(tài)使得后半程的擺角大于前半程,從而實(shí)現(xiàn)了越蕩越高,其能量來自于收放腿時所做的功。
蕩秋千運(yùn)動過程簡圖 來源丨網(wǎng)絡(luò)
由此看來,蕩秋千也是要掌握方法的,在秋千下擺的過程中,屈膝下蹲降低重心,而上擺過程中,蹬腿站立抬高重心,就可以讓秋千越蕩越高。蕩秋千時要雙手握繩,隨上下擺動而用力,整個過程主要依靠腰部、腿部和臀部力量實(shí)現(xiàn)上下擺動。
秋千歷史悠久,結(jié)構(gòu)簡單卻蘊(yùn)藏著豐富的物理知識。在中華文化中,秋千也寄托著安康、幸福的美好寓意。讓我們在學(xué)習(xí)工作之余,再蕩一次秋千,蕩走煩惱,蕩回歡笑。
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