没人推没人拉 秋千为什么能越荡越高

没人推没人拉 秋千为什么能越荡越高

说起秋千,想必大家一定不陌生,可以说承载了很多人成长的欢乐。在荡秋千的时候,不知道你有没有考虑过这个问题:在没有人推没有人拉的情况下,秋千为什么能越荡越高?

秋千是个物理现象

秋千实际上可以被看作简单的力学系统,它所受的外力有两个:一个是垂直向下的重力;另一个是沿着秋千绳方向的约束力。荡秋千最简单的玩法就是在秋千板上坐着,等着别人来用力推着荡。这时的秋千的运动类似于单摆的运动,但由于空气阻力以及摩擦阻力会阻碍秋千的摆动,因此秋千摆动的幅度会越来越小,直到停止。

如果此时一个人在旁边施加外力不断地推,就会使秋千越荡越高。当秋千荡到最高点时,顺着秋千继续摆动的方向施加一个外力,就能将秋千推得更高;但是如果施加一个与秋千运动方向相反的力,此时外力会阻碍秋千的运动从而使秋千的高度减小。

在我们荡秋千时,向下荡的过程会有短暂的失重感,我们可能会感觉到紧张和恐惧。当秋千越荡越高,快速下荡的时候,人体受到离心力的影响,小腹处感到轻微压迫,会有种想要尿出来的感觉。在荡秋千的过程中不断克服紧张和恐惧,能够增强自我控制能力,有利于身心健康。此外,经常荡秋千的人乘车或坐船也很少发晕。

没人推没人拉 秋千为什么能越荡越高

那么,如何不依靠地面外力,让秋千维持摆动和荡得更高呢?

观察荡秋千时,我们可以发现,那些荡秋千越荡越高的人总有站起或下蹲的动作。这时虽然没有外力推动,但人所做的动作实际上增加了系统能量。因此,当考虑阻力时,只要人体动作转化为机械能的能量大于因克服阻力做功而消耗的能量,则秋千就会越荡越高。

人体和秋千系统的重心可以简化为一个质点,重心位置随着姿势的改变而发生改变,屈膝蹲下时重心偏低,而伸腿站起时重心偏高。秋千在高处,人如果是站立的,系统的重心最高,重力势能最大,动能最小。

在秋千由高处回摆过程中,人开始下蹲,重心位置往下移,整个系统的重力势能也在不断转化为动能,速度也越来越快,直到秋千回到最低点的时候,速度最快,系统的动能达到最大、重力势能最小。如果这个过程人没有下蹲,系统的动能增加幅度不会那么大,反而会因为阻力不断损耗。

在秋千由最低处上摆的过程中,人开始迅速站立,使得重心升高,势能增加,动能减少速度变缓,系统总的机械能实际上是增加的,最终秋千也会比上一次荡的更高。这是因为人体消耗自身能量克服重力做了功,所以会感觉到腿脚很用力,时间久了会很疲劳。

如下图所示,将荡秋千过程视为单摆运动,红色区域为前半程,蓝色区域为后半程,通过改变自身状态使得后半程的摆角大于前半程,从而实现了越荡越高,其能量来自于收放腿时所做的功。

没人推没人拉 秋千为什么能越荡越高

荡秋千运动过程简图

由此看来,荡秋千也是要掌握方法的,在秋千下摆的过程中,屈膝下蹲降低重心,而上摆过程中,蹬腿站立抬高重心,就可以让秋千越荡越高。荡秋千时要双手握绳,随上下摆动而用力,整个过程主要依靠腰部、腿部和臀部力量实现上下摆动。

别看秋千只有一块木板,两根绳索,结构虽然简单,却蕴藏着丰富的物理知识。

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