浅析体育运动中的物理知识

杨　巍

体育运动与物理学有着密切的关系，下面就着重分析一下最常见的体育活动中跑步与行走的力学知识。

先介绍行走与跑步的原理。假定一个人正在用一只脚站立着，而且假定他用的是右脚。现在，假定他提起了脚跟，同时把身体向前倾，这时候，从他的重心所在的竖直线自然要越出脚的底面的范围，人也自然要向前跌倒；但是这个跌倒还没有来得及开始，原来停在空中的左脚便很快移到了前面，并且落到了从重心所在的竖直线前面的地面上，使从重心所在的竖直线落到两脚之间的面积中间。这样一来，原来已经失去的平衡恢复了，这个人也就前进了一步。这个人自然就是这样停留在这个相当吃力的状态，但是假如他想继续行进，他就得把身体更向前倾斜，把从重心所在的竖直线移到支点面积以外，并且在有跌倒倾向的同时，重新把一只脚向前伸出，只是这一次要伸的不是左脚，而是右脚——于是又走了一步，就这样一步一步走下去。因此，步行实际上是一连串的向前倾跌，只不过能够及时把原来留在后面的脚放到前面去支持罢了。让我们把问题看得更深入一些，假定第一步已经走出了，这时候右脚还跟地面接触着，而左脚却已经踏到了地面。但是只要所走的一步并不太短，右脚脚踵应该已经抬起，因为正是由于这个脚踵的提起，才使人体向前倾跌而破坏了平衡。左脚首先是用脚履踏到地面的。当左脚的整个脚底已经踏到地面的时候，右脚也完全提到空中了，在这同时，左脚的膝部原来略微弯曲的，由于大腿骨三头肌的收缩就伸直了，并且在这一瞬间成竖直状态。这使得半弯曲的右脚可以离开地面向前移动，并且跟着身体的移动把右脚踵恰好在走第二步的时候放下。接着，那左脚先是只有脚趾踏着地面，立刻就全部抬起到空中，照样地复演方才那一连串的动作。

奔跑和步行的不同，在于原是站立在地上的脚，由于肌肉的突然收缩，就强力地弹了起来，把身体抛向前方，使身体在这一瞬间完全离开地面。接着身体又落到地上，但是已经由另外一只脚来支持了，这只脚当身体还在空中的时候已经很快地移到了前方。因此，奔跑是一连串的从一只脚到另一只脚的飞跃。

平时看田径比赛的时候，我们都会羡慕那些随风疾驰的体育健儿，感慨自己身体素质太差。其实体育健将们除了优秀的自身素质外，也离不开专业的训练。而我们如果能掌握准确的动作，速度也能提高不少。因为跑步中有很多学问。

跑是不断重复的周期性运动。波动的速率与频率及波长的关系如下式：速率=频率×波长。同理，跑的速率与步频(每秒钟所跑的步数)和步长(每跑一步的距离)的关系如下式：速率=步频×步长。要增大跑的速率，就要设法增大步频和步长。例如一短跑者平均步频为每秒4.6步，平均步长为1.8米，早其平均速率为8.28米／秒。如果以此速率跑100米，就要12.077秒。

设有体力相同的A、B两人，分别采用两种跑步方式：(a)的起步角较(b)为大，则(a)每跑一步由于把身体升得较高，要费较长时间才能着地跑一下步。这样，步频自然较小。另一方面，由于(a)的起步角较大，升高身体的分速度较大而水平向前的分速度较小，故步长就较短。故(a)跑得比(b)为慢。每跑一步的速度，是由前一步保留下的速度(惯性)以及下一步有力后所补充的速度的向量和。每跑一步所补充的速度，同由脚向蹬地面而获得。脚后蹬的力为F，则地面也给人体一个大小等于F的反作用力，人体由于这个力在后蹬时间内获得补充的速度。F与地面的夹角a叫做后蹬角。F可分解为F，和F2两分力。F1使人获得水平前进的加速度，而F2则获得垂直上升的加速度。后蹬角a决定F1和F 2的分配。后蹬角不应过大，否则力量F用在升高身体太大而用在前进太小，这就减小了步频和步长。短跑的后蹬角应在52°—60°之间，视体力与技术而定。完成后蹬动作之后，人体就向前抛腾一步。接着，另一腿由摆动腿转为支撑腿而着地，这动作叫做前蹬。前蹬地面的力R和地面的夹角B叫做前蹬角。人脚受到地面的反作用力和R大小相等而方向相反。前蹬时，应脚掌着地，以减小作用力R。R是斜向后的，会减小前进速度。因此，前蹬角β宜大，也就是脚掌不要太早着地，要摆至接近身体下方才着地，这就要以减小R向后的分力。

生活中运动知识无处不在，只要我们有一双善于发现捕捉的眼睛，一个勤于思索的大脑，那么我们就能用心体会到体育运动与科学知识带给我们的奇妙与乐趣。