跳高运动中的物理学原理简析

摘要：背越式跳高可以分为助跑阶段、起跳阶段、腾空阶段和落地阶段，每个阶段都包含着物理学原理。本文通过分析跳高运动中四个阶段的动作，从物理学原理角度对跳高动作进行了解释，从科学的角度解读动作，给出了提高跳高成绩的建议，有助于加深运动员对动作的理解，提高跳高成绩。

关键词：背越式 能量守恒 受力分析

跳高是田径运动的田赛项目之一。是一种由有节奏的助跑、单脚起跳、越过横杆落地等动作组成，以越过横杆上缘的高度来计算成绩的比赛项目。跳高是运动征服高度的运动项目，是人类不屈不挠，勇攀高峰的象征[1]。也有人称跳高是一项失败者的运动。因为每次比赛，运动员在跳过一个高度以后，还要向新的高度挑战，直到最后跳不过去为止。

最常见的跳高姿势是背越式跳高。背越式跳高的过程可以分为四个部分：助跑阶段、起跳阶段、腾空阶段和落地阶段。跳高这项运动包含着很多物理学知识。从原理上分析跳高中的动作，会让运动员的训练更加符合科学规律，有助于提高跳高成绩。本文将对背越式跳高中的动作从物理角度进行分析，加深跳高运动员对跳高动作的理解。

如图所示，是背越式跳高动作示意图。我们将跳高过程中三个高度分别用H1、H2和H3表示，H1表示运动员起跳时重心距离地面的高度，H2表示运动员重心到达最高点时重心相对于H1升高的高度，H3表示运动员重心达到最高点时重心高于杆的高度。从图中可以看出，提高跳高成绩重点是增加H1和H2，减小H3。影响H1 的因素是运动员起跳时重心的位置和身体的姿态，还有起跳时身体的舒展程度。影响H2的因素是运动员本身的身体素质和跳高技巧水平。影响H3的因素是运动员在越过杆时的身体的姿态和起跳时身体与地面的角度。

下面分别从跳高运动中助跑阶段、起跳阶段、腾空阶段和落地阶段这四个阶段出发分析每个阶段中包含的物理学原理，并针对分析给出提高跳高成绩的建议。

在助跑阶段，一个良好的加速毫无疑问可以提高运动员的成绩。在这个阶段运动员由静止做加速运动。在助跑过程中，运动员的加速度来自地面给运动员在水平方向上的摩擦力。随着运动员速度的增加，远动员的动能不断增加，为下一阶段的起跳做好准备。

在起跳阶段，运动员腿部弯曲然后进行蹬伸动作，利用地面给运动员的压力和运动员所受重力的力差，在竖直方向上做加速运动，获得竖直方向上的初速度。在这个过程中，水平方向能量损失越小，竖直方向获得的能量越大，越能提高运动员的跳高成绩。运动员在起跳时，可以看作是一个速度为v0且与水平方向夹角为a的抛体运动[2]。运动员在竖直方向上的速度为v0sina，由动能定理可以知道，运动员可以升高的最大高度為：

h即为上文中的H2。通过表达式可以看出，H2的大小与两个因素有关，起跳的初速度v0和与地面的水平夹角a。起跳的初速度由助跑阶段的水平速度和起跳过程中竖直方向的速度决定。起跳后，竖直方向的速度越大，重心升高的高度就越大。在背越式跳高中，一个合适的起跳角度可以提高跳高成绩。当角度偏大时，会使运动员在竖直方向上的速度增大，而水平方向上的速度减小，这样虽然运动员可以跳的更高但是不能跳的更远；当角度偏小时，水平方向上的速度增大，而竖直方向上的速度减小，这样虽然运动员可以跳的更远但是不能跳的更高。查阅资料我们知道，夹角的合适范围为50°-55°。

为了能够提高成绩，运动员在起跳时应该降低重心高度，这是因为重心降低的越多，则运动员在竖直方向上受来自地面的压力的大小越大，时间越长，越能增加起跳时运动员的初速度。一个良好的起跳动作完成后，就可以获得一个较大的初速度和一个合适的起跳角度，从而为下一步的腾空动作打下基础。

在腾空阶段，运动员的姿态尤为重要。在起跳阶段获得的初速度和角度在腾空后是无法改变的，此时只有通过改变身体的姿态来调整重心的高度。腾空阶段运动员的身体逐渐收缩，在最高点完成收腹动作。腾空阶段考验运动员身体的平衡能力和协调能力。通过在合适的时机适当的降低手臂和腿的高度，可以提高重心的高度。当身体的重心即将越过杆时，应该通过降低手臂和腿的高度来提高重心的高度；当重心越过杆后，应该主动降低身体重心的高度来保证手和腿能够顺利越过杆。为了保证腾空过程中有一定的高度，运动员在蹬地之后双腿要迅速并拢，在经过最高点之后两腿尽量高抬，这样就可以减少触杆的概率。

在落地阶段，假设运动员与地面的水夹角为Y，速度为v。在整个撞击过程中，满足能量守恒定理[3]，人体的动能逐渐减小，重力势能逐渐减小，一部分转化为垫子和人体组成的系统的弹性势能，一部分由于摩擦产生热量。由牛顿第二定律分析，运动员受到的摩擦力为f，垫子给运动员的支持力为FN，自身的重力为G。通过受力分析可知，摩擦力f的大小为垫子给运动员的支持力FN在水平方向的分力，大小为：

由表达式可以看出，运动员在下落过程中应该让身体与护垫成一定的角度来防止受伤。

从以上可以看出，跳高运动中的各个动作都包含了物理学原理，发现并且掌握好这些原理，运动员就能科学的进行训练，增强自身实力，提高运动水平，能够提高运动员的成绩。

参考文献：

[1]胡鸿飞.论优秀跳高选手的选材方法[J].体育与科学，1993，（02）.

[2]张朝可.抛体运动的讨论[J].技术物理教学，2007，（01）：19-20.

[3]王洪军，耿立唐，林素春.高考考点总攻略， 物理， 动量和动量守恒，能量和能量守恒定律[M]. 科学技术文献出版社，2004.

（作者简介：高辰越，学校：保定市第一中学。）