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沒人推沒人拉 秋千為什么能越蕩越高


沒人推沒人拉 秋千為什么能越蕩越高



說起秋千, 想必大家一定不陌生, 可以說承載了很多人成長的歡樂 。 在蕩秋千的時候, 不知道你有沒有考慮過這個問題:在沒有人推沒有人拉的情況下, 秋千為什么能越蕩越高?
秋千是個物理現(xiàn)象
秋千實際上可以被看作簡單的力學系統(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 。 這時的秋千的運動類似于單擺的運動, 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 。 當秋千蕩到最高點時, 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動方向相反的力, 此時外力會阻礙秋千的運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 。
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那么, 如何不依靠地面外力, 讓秋千維持擺動和蕩得更高呢?
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, 但人所做的動作實際上增加了系統(tǒng)能量 。 因此, 當考慮阻力時, 只要人體動作轉(zhuǎn)化為機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 。
人體和秋千系統(tǒng)的重心可以簡化為一個質(zhì)點, 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 。
在秋千由高處回擺過程中, 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的時候, 速度最快, 系統(tǒng)的動能達到最大、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, 反而會因為阻力不斷損耗 。
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)總的機械能實際上是增加的, 最終秋千也會比上一次蕩的更高 。 這是因為人體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動, 紅色區(qū)域為前半程, 藍色區(qū)域為后半程, 通過改變自身狀態(tài)使得后半程的擺角大于前半程, 從而實現(xiàn)了越蕩越高, 其能量來自于收放腿時所做的功 。
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蕩秋千運動過程簡圖
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、腿部和臀部力量實現(xiàn)上下擺動 。
別看秋千只有一塊木板, 兩根繩索, 結(jié)構(gòu)雖然簡單, 卻蘊藏著豐富的物理知識 。

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