体育运动中的物理学论文设计.doc

齐齐哈尔大学毕业设计(论文)齐齐哈尔大学毕业论文题 目 物理定律在体育运动中的应用 E学院 理学院E专业班级 物理 044 E学生姓名 韩旭东 E指导教师 李景尧E成绩 E摘要物理学既是一门实验科学，又是一门应用科学。物理学的应用已渗透到社会生活的各个方面。其中，在体育运动中应用尤为广泛。体育学是一门新兴的学科。除了具有自身的特点之外，它还综合了多学科的知识，是一门典型的交叉科学。它不仅仅适用于竞技体育中的摘金、夺银、为国争光，还在人们平常的锻炼和日常的坐、立、行,和如何提高生活质量等方面都起到重要作用。本文从体育运动中的常用物理定律入手，重点研究了牛顿运动定律、动量定理、机械能守恒定律等在体育运动中的应用。并实例分析了投掷运动，跳跃运动、滑雪运动等体育活动。希望通过本文使我们进一步了解和掌握物理学知识，进而将其运用到体育活动中，对体育运动的发展具有重要意义。关键词：物理学；物理定律；体育运动；应用AbstractThe physics are not only an empirical science, is also an applied science. The physics application seeped to social life each aspect. And, is applies in the sports especially widely. The sports study is an emerging discipline. Besides has own characteristic, it also synthesized the multi-disciplinary knowledge, is model overlapping scientific disciplines. Its function not just is uses in athletics sports picking the gold, winning the silver, to win for the motherland, but also lies in the people ordinary exercise and daily sits, vertical, the line, and how to improve aspects and so on quality of life to play the influential role.This article obtains from sports commonly used physical law, has studied the Newtons law of motion, the momentum theorem, the mechanical energy conservation relations with emphasis and so on sports application. And the example analyzed has thrown the movement, sports and so on caper movement, ski movement. The hope makes us through this article to increase understands and masters the physics knowledge, then utilizes it in the sports, has important meaning to sports development.Key word: Physics；Physical law；Sports；Application目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1选题背景和依据11.2课题研究的内容11.3力学在体育运动中的作用11.3.1竞技体育中的力学11.3.2大众体育中的力学2第2章物理定律在体育运动中的应用32.1牛顿第一运动定律及其在体育中的应用42.2牛顿第三运动定律及其在体育中的应用42.3牛顿运动定律在体育运动中的应用52.4动量定理及其在体育运动中的应用62.5摩擦力及其在体育中的应用82.6人体运动中的功能关系82.6.1机械能及其在体育中的应用82.6.2势能及其在体育中的应用92.7机械能守恒和转化定律及其在体育中的应用92.8弹性力及其在体育中的应用92.9斜抛运动及其在体育中的应用10第3章物理定律在体育运动中的应用实例113.1投掷运动113.2拔河运动123.3跳跃运动133.4滑雪运动14结论15参考文献16致谢17III第1章绪论1.1选题背景和依据在世界竞技体育水平飞速发展、竞争日趋激烈的今天，只凭借发达的四肢是难以攻克这项尖端技术攀登世界体育高峰的。因此，从某种意义上来说，现代体育竞争实际上是科学技术的角逐，在这门科学中物理学是一门重要的基础学科。它是掌握和改进运动技术，加快提高运动成绩的重要依据。1.2课题研究的内容本文主要从体育科学与物理科学相融合的角度去研究它们的科学关系以及发展趋势。论述力学中的物理定律在体育运动中的应用。其次，研究体育运动中常用的物理定律及其应用实例的分析。1.3力学在体育运动中的作用物理学中的力学是迄今为止发展最为完善的自然科学学科，具有结构严密方法奇妙等特征。力学作为新技术应用、新学科创立、新思维发展的原动力，始终站在科学前沿，推动技术的进步和创新，极大影响社会和经济的发展。而它对体育学的影响也是非常深远的。它的很多原理和方法在体育运动和体育研究中都有直接或间接的应用。从体育学中物理学的应用这一方面进行初步的阐述，希望能给大家一个新的视角去看待体育运动，也从新的角度去看待物理，在物理和体育的教学中能够相互借鉴一些东西。延伸开来，作为引玉之砖，将物理学中的力学与体育学从研究、教学的角度加以联系，或许能得到更多的东西1。1.3.1竞技体育中的力学力学是物理学中最先发展完善的学科，其应用也相当广泛。力学无论是在运动训练，还是技术动作的分析与改进，都和体育有密切的联系。可以说物理学在体育中应用最多的便是力学。关于体育中的力学应用，已有人从物理教学的角度提及过，由于是从教学方面入手，只从中学力学的角度出发所以不够全面。体育当中最简单的力学的应用便是长度、时间和质量的测量。在体育比赛中，很多项目都是以这三项为基准来表示成绩的好坏的。这表现在如下三个方面：田径中的田赛，如跳远、跳高、铅球、标枪、链球等，都以长度（高度或远度）来衡量成绩，多者为胜。田径中的径赛，如短跑、中长跑、马拉松、短距离及长距离的游泳、短距离及长距离的滑冰，是以同样的距离下所用的时间多少来衡量比赛成绩的，时间少为优。举重，是以同一级别体重下举起重量的多少决定胜负，举起重量大者为优胜者。在各项体育运动具体的动作分析中，都以力学原理为依据。如各种平衡动作的分析就是以重心与支撑点的位置关系来进行的，重心的作用线越接近支撑点，越容易失去平衡；离支撑点越远则越不稳定。在体育运动当中，人体的稳定与否依赖于身体姿势的变化而定。有时需要身体尽量的稳定，如武术中的马步就加大了支撑面，降低了重心而达到稳定。而在摔跤中却要求一种动态的平衡，即要求在不断变化中以自己最稳定的方位向对手最容易失去平衡的方向进行攻击，已达到摔倒对手的目的。有时却需要迅速打破平衡。如短跑中的起跑由原来的站立式而演变为现代的蹲距式，以及游泳比赛中的起跳姿势都是稳定性很小的平衡。为了迅速进入比赛打破现有的平衡做好准备。对各种用力动作用力学的定律和定理分析其是否合理。比如投掷项目中（铅球、铁饼和标枪等），要求在最后用力阶段为获得较大速度发挥最大力量，既符合牛顿第二定律，同时躯干特别是肩关节尽量向前（即超越器械）在发挥最大力量的同时，尽可能增大作用时间，能最大程度的增大器械的动量，以达到好的成绩。在分析某些动作时（如跳远起跳、跳高起跳等）在最大用力时要求用力环节（如起跳腿）有一最佳角度。即把人看作一个由骨骼和肌肉组成的杠杆系统，当要发挥最大力量时，肌肉对支点（关节）必然有一个最佳的发力角度以达到最大的力矩，同样大的肌肉力量在这个最佳的角度上才能发挥最好的效果。这也是运动技术最佳化的一个方面。流体力学在体育中的应用也很广泛。喜欢足球的人肯定知道2005世界足球先生巴西球星罗纳尔迪尼奥。他踢出的任意球可以绕过人墙飞入球门，这里就有流体力学的道理。根据马格努斯效应，向前飞行的球体发生旋转时，一侧的压强就不相等，足球两侧受力不相等。飞行路线就会向一侧弯曲。只要踢出一侧向下急速旋转的球，就可以使足球飞行时向一侧弯曲并快速下降。当然这只是流体力学在体育当中一个小小方面的应用，其它方面如游泳中的动力和阻力，划船运动中的船体的材料与阻力桨的形状以及跳台滑雪中人体所受的空气阻力等等都与运动成绩都有直接的关系。1.3.2大众体育中的力学除了力学在竞技体育中的应用外，实际上，在人们日常的锻炼乃至平常的运动中都充满了力学。背包是大家经常用到的东西，但什么样的背包是合理的，对经常用到背包的人不会产生不良影响?而且背包经历了从单带到双背带的转换，这里有它的力学道理。单背带对人身体的平衡有影响，它使人在行走时脊椎向一侧弯曲，时间长久了使相应的肌肉产生疲劳。长时间下去必然造成肌肉的慢性损伤，尤其是对正在生长发育的中小学生，更是易造成脊柱侧曲，影响以后的工作和生活。双背带背包则纠正了这一不良影响，但对中小学生来说要注意的是背包不应过重，否则虽然不会发生脊柱侧曲，但却使脊柱向前弯曲，长时间会造成驼背。这一点请老师和家长多加注意。在美国的北卡罗莱州就有一个生物力学实验室。专门研究登山背包，使背包更符合力学原理，更加舒适。另外，对日常的坐姿也有力学原理，特别是对经常伏案工作的知识分子和政府工作人员来说更加重要 。鞋是大家必需的用品，但这里也充满学问。著名的体育用品耐克和阿迪达斯公司都有专门的机构来研究鞋，鞋底到鞋面不同的位置对脚的作用力有什么不同，其相应的材料及其结构都作相应的设计，以达到舒适、安全之目的。运动员的鞋就更加不用讲了，为了提高其比赛成绩，鞋的材料和设计更加细致和深入。比如美国著名运动员卡尔刘易斯的一双比赛用鞋是几个科研人员花了半年时间，测量了几百个数据专门为他制作的。背背佳、英姿带的广告已是大家都熟知的，它对校正青少年以至成年人的驼背和其它不正确姿态都有比较好的效果，而这种产品正是根据人体生物力学的原理而研制的，它的基本原理是通过改变人体的局部力量平衡达到新的平衡而达到改变身体形态的目的。现在有很多人都在使用。但有一点必须注意，身体姿势的纠正，依靠体育锻炼是最佳方法，通过增强相应的肌肉力量（比如斜方肌等）来达到培养正确形态的目的是根本的办法。而且这种英姿带、背背佳不可使用过长时间，因为它是通过带子的弹性来校正姿态。长期使用会使相应的肌肉力量下降，功能退化，反而会对身体造成不好的影响。第2章物理定律在体育运动中的应用2.1牛顿第一运动定律及其在体育中的应用任何物体，在不受力作用时，都保持静止状态或匀速直线运动状态。在自然界中，找不到完全不受外界作用的物体。在实际应用中，“不受力作用”在某种意义上应理解为物体受到的力作用恰好相互抵消，这时结论依然正确。如放在场地上的铅球，它受到的重力作用与地面支撑力的作用相平衡，它就保持静止的状态。牛顿第一定律表明，不受其它物体作用的物体，若静止则永远静止，若运动则永远作匀速直线远动，即物体具有保持它原有运动状态不变的性质，这种性质称为惯性。因此，牛顿第一定律也叫惯性定律。惯性是物体固有的性质，质量是惯性的量度。惯性与是否有其它物体的作用无关。在体育运动中，常遇到惯性问题。如在短跑起跑后，人体跑速不能立即达到最大跑速，而在冲刺之后，人体也不能立即停下来。这都是惯性的缘故。 掌握了惯性定律，在体育运动中合理地利用惯性，可使肌肉的放松、收缩适时、有节奏，动作更加协调，减少能量消耗，即通常讲的使“巧劲”。如保持一定的速度比改变速度要容易、省力得多，因此在长距离游泳、赛跑中，提倡用适宜的较稳定的速度游、跑。在体操中，特别注意动作的连贯性，尽可能避免频繁地改变运动速度，以减少不必要的负荷。例如，上举杠铃、单杠及撑杆跳高中的引体向上动作，如能保持动作的连贯性，则能较容易地完成动作。反之，动作中途停顿，则会加大动作的难度，甚至会导致动作的失败。 惯性定律在体育学中应用很广，如跳高中运动员的助跑，其目的是为了提高速度，增加动力，因而这种惯性作用具有很大的促进力，可以使其跳得更高；又如踢足球，铲球为什么容易摔倒；百米冲刺时，到终点后很难停住；举重运动员在提杠铃或上举杠铃时为什么要注意用大力气，把握杠铃的运动状态，即克服静止状态使之进入运动状态，一旦杠铃进入运动，就要求运动员保持举杠铃时动作的连贯性，中途稍有停顿，不仅不可能完成动作，还可能导致比赛的失败。这说明当人身体的某一部分受到外力作用时，身体的另一部分不能立刻随之改变。2.2牛顿第三运动定律及其在体育中的应用若物体A对物体B的作用力为F，则物体B同时以力F反作用物体A，两力的大小相等，方向相反，并在同一直线上，牛顿第三定律表明了力是物体间的相互作用。相互作用力总是等大、反向、沿同一直线。正确理解相应用牛顿第三定律应注意的几点，作用力和反作用力分别作用在不同的物体上，分别产生各自的效应。它们不同于一对平衡力。如踢足球，脚对球的作用力为，作用在球上，使球产生加速度和形变。而球对脚的作用力同时作用在脚上，使脚产生向后的加速度和受到压迫。虽然二力大小相等，但作用在不同的物体上，产生不同的效果。作用力和反作用力互为存在条件。它们总是同时产生、同时存在、同时消失。作用力和反作用力必是同种性质的力。如果作用力是摩擦力，反作用力也是摩擦力；如果作用力是弹性力，反作用力一定也是弹性力。作用力与反作用力等值反向，沿同一直线这一规律，不受相互作用的两物体的运动状态的影响。不管它们处于静止状态还是运动状态，相互作用力的上述规律仍然成立。当人们进行各种运动时，作用力与反作用力问题是普遍存在的。弄清它们的关系，才能正确分析体育运动中各力的特点，结合牛顿第二运动定律进行深入研究。在走、跑、跳等动作中，人体所获得的动力是人蹬地过程中，地面给人体的反作用力。要获得较大的反作用力作为人体运动的动力，必须加大人的蹬地力。这又取决于人体肌肉活动引起的对地面作用力的大小。肌肉活动是主动的。为了提高人体运动效果，最重要的是提高肌肉收缩速度和力量，以加大蹬地力从而得到一个大的反作用力，使人体运动状态发生变化，这也是运动生物力学有别于普通力学的特点之一。为了寻求更大的对人体作用的地面反作用力，实践中采用一些措施，创造某种良好的作用条件。例如，选择坚硬的场地、在跑鞋、跳鞋上安上钉子，起跳时用起跑器等等。 2.3牛顿运动定律在体育运动中的应用 物体作圆周运动时，速度方向沿着圆周的切向不断变化，因而存在向心加速度，其大小为，方向指向圆心。由牛顿第二定律得知，此时物体必受到外力的作用，这个外力的方向也始终指向圆心，大小为这个力就叫向心力。因此向心力可定义为：物体做圆周运动时，受到跟速度方向垂直、并且沿着半径指向圆心的力叫向心力。由此可知物体作圆周运动的必要条件是，物体必须受到一个与速度方向垂直的外力作用，才能不断地改变物体运动的方向。如果作用力与速度方向平行，这个力就只改变速度的大小而不改变速度的方向，即物体只作变速运动。人带动链球作圆周运动时，手臂通过铁链对球施加向心力，不断改变球的运动方向，使球得以实现圆周运动。既然作圆周运动的物体受到向心力的作用，那么，由牛顿第三定律得知，必须同时存在一个反作用力，它是作圆周运动的物体施加在向心力的施力物体上。这个力与向心力大小相等、方向相反，即沿半径背离圆心，故称为离心力。在上述的例子中，手臂向内拉链球的力是向心力，手臂受链球向外的拉力就是离心力。向心力的作用点在链球上，而离心力的作用点在手上。有人认为松手后，链球沿切线飞出应是离心力作用的结果，这是不对的。因为，第一，离心力是沿半径指向外的，所以不可能控制链球沿切线方向飞出去；第二，离心力是作用在手上，不会对链球产生作用；第三，松手后，向心力消失，离心力也同时消失，不可能再产生作用。正确地解释是，松手后链球不再受向心力的作用，因惯性的缘故沿切线方向飞出去。 产生向心力的方式是多种多样的。有的是由约束物产生的。如运动员在投掷链球时，由于手拉链球旋转而产生向心力；运动员的手约束铁饼使铁饼旋转而产生向心力；在弯道跑或骑自行车转弯，人和车需向圆心一侧倾斜，这时，人和车的重力与地面的支撑力不在一条竖直线上。由重力和支撑力形成合力即是向心力。向心力并非是一种新形式的力。向心只是指力的作用方向而已。重力、摩擦力和弹性力都可产生这种作用效果。如在单杠大回环中，单杠作为约束物对人体施加的向心力，是由于单杠的形变而产生的弹性力。上面提到的弯道跑和骑自行车转弯等所产生的向心力，是由重力和支撑力产生的。2.4动量定理及其在体育运动中的应用 动量定理亦称动量原理，是描述物体机械运动状态变化规律的基本定理之一。物体在运动过程中，在某段时间内动量的改变等于所受合外力在这段时间的冲量I 。动量定理可由牛顿第二定律推导出来。在研究具体问题时，有时人们关心的不是力的瞬时效应，而是累积效应。如推铅球的作用时间为，通常关心的是在这段时间内，铅球的动量增加了多少，出手时的动量为多大。如果一个外力作用在物体上一段时间。由牛顿第二定律可以求出每一瞬时加速度的大小和方向，但不能求出动量的变化量。由于物体动量发生变化是冲量作用的直接结果，物体动量的变化只取决于外界冲量大小而无须深究力在作用过程中变化的具体细节。两个不同的外力，尽管它们的变化情况不同，但只要它们所产生的冲量值一样，导致物体动量的变化值也将一样。这点对分析具体问题带来很大的方便。如我们可用一个恒力来代替一个变力的作用，只要这个恒力在相同的时间内产生的冲量与变力相同。这样的恒力通常称为变力的平均冲力。动量定理在碰撞、冲击等问题中有重要意义。由于瞬时作用的冲力很难测定，所以这时的牛顿第二定律无法直接应用。但可根据动量定理测定物体在碰撞或冲击前后动量的变化，来确定冲力的冲量大小，并根据作用时间的长短，计算出冲力的平均数值。运用动量定理还可以计算人体运动中的一些力学参数。在跳跃项目中，用测力台测出踏跳力随时间的变化曲线，就可以求出人体所受的冲量，运用动量定理，则可求出人体腾空的速度。在另一些情况下，在动作的电子图片上可以计算出人体或器械的运动速度。反过来，也可以计算出相应的平均冲力大小。例如，用测力台测出运动员跳高起跳过程的垂直分力曲线图。整个起跳过程可分为撞板阶段和蹬板阶段。蹬板阶段运动员获得向上的动量是由蹬板阶段冲量的大小所决定。向上的动量大，则运动员腾空的垂直初速度也大。设开始蹬板瞬间垂直速度为零，则动量为零；腾空垂直速度为，运动员质量为，则运动员在蹬板阶段动量的变化为。在这个阶段运动员所受的外力有重力，支撑反作用力，合力为，所产生的冲量为。动量定理在体育运动的研究中应用广泛。根据此定理，可以对运动技术提出一些一般性的原则。例如：在投掷项目中，为了增加器械的出手速度，即增加器械的出手动量，应增加在最后用力阶段对器械的冲量。这要求在发挥最大力量的同时，延长力的作用时间。根据人体肌肉的用力特点，如果有意识地放慢动作的速度来延长作用时间就不能达到增加冲量的目的。正确的作法是，在保证发挥肌肉最大用力的同时，通过延长力的作用距离来延长作用时间。如在投掷项目中，往往要求在最后用力前使身体尽可能超越器械。其作用：一方面可使原动肌充分拉长，以提高肌肉的收缩力；另一方面可延长最后用力的作用距离，从而延长作用时间，达到增大冲量的目的。这在体育运动中多见，如短跑中要求后蹬充分，以增大蹬地时的工作距离来增加力的作用时间；游泳运动员屈臂“”型划水代替直臂划水，其目的也是为了增加力的作用时间。总之要加大人体所受冲量，可增加冲力或增加力的作用时间来实现，也可同时加大二者来实现。 若要减少对人体的冲力，就得延长力作用的时间，各种落地缓冲动作就是典型的例子。由动量定理可知，如果动量的变化量是一个常量，即冲量值也应是一个常量。这时延长作用时间，就可以减少冲力的大小。如落地动作，一般要求从前脚掌着地，迅速过渡到全脚掌，同时屈膝屈髋伸踝，其目的就是延长与地面的作用时间，减小冲力对人体的作用。又如接高速来球，当手接球的同时曲肘回收，顺势接球，可延长手与球的作用时间，从而减少球对手的冲力作用。各种球类运动中的许多动作属于冲击性动作，如排球中的发球、扣球和垫球；足球中的踢球、顶球；乒乓球、棒球、冰球、网球等的击球动作。根据比赛的技、战术要求，想要调整完成这些动作时的冲力大小、方向以及作用时间，以使球体获得不同的动量。 2.5摩擦力及其在体育中的应用相互接触的两个物体，在接触面上发生的阻碍相对运动或阻碍相对运动趋势的力叫摩擦力。摩擦通常分为滑动摩擦、滚动摩擦和静摩擦几种。在所有其它条件均相同时，两物体之间的滑动摩擦力比最大静摩擦力小。摩擦力的大小与接触面间的压力大小有关，接触面粗糙程度一定时，压力越大摩擦力越大。生活中我们有这样的常识，当自行车车胎气不足的时候，骑起来更费力一些。摩擦力的大小与接触面的粗糙程度有关，压力一定时，接触面越粗糙，摩擦力越大。摩擦力在体育中的应用随处可见。如赛车时，车轮多是非常粗糙的防滑轮，其目的就是为了增大摩擦力；拔河时，在双方力量相当的情况下，脚下摩擦力的大小是胜负的关键。所以，有经验的运动员都知道要穿运动鞋，最好能在脚下挖一小坑，增大摩擦力。当然，在体育实践中，有些动作需要减少摩擦力，也有些动作需要增大摩擦力。例如体操运动员在上杠前手上抹一些镁粉，做自由体操前，运动员在体操鞋底蘸点松香粉，目的都是为了增大摩擦力。而滑冰运动员比赛前磨冰刀、在滑雪板上涂上润滑油等，目的却是为了减少摩擦力6。2.6人体运动中的功能关系 人体的运动过程中，肌肉收缩力牵引骨杠杆发生机械位移，从而对外做功。其结果或是改变人体运动的速度、人体的姿势和位置，使人体的能量状态发生改变或是改变器械的运动速度或空间位置，使器械的能量状态改变。这些过程实质上是人体在中枢神经系统的支配下，体内储存的化学能转换为机城能和热能的过程。即使人体完成静力性工作，虽然没有改变人体或器械的机械能量状态，但也消耗了体内的化学能，以热量的形式散发掉。因此普遍地讲，人体的运动过程就是能量的转换过程。掌握人体运动中的功能关系及能量转换特点，对正确认识人体运动的规律，分析研究运动技术，以提高运动成绩是十分重要的。 在力学上，功和能是两个密切联系的力学量。功是能量转换的量度。凡是由一种能量转变为另一种能量，其过程都通过做功体现出来。能量是物体做功本领大小的反映。如果一个物体能够做功，则表明物体具有能量。物体做功的本领越大，具有的能量就越大。 2.6.1机械能及其在体育中的应用在体育运动中，人体的各种运动形式：推、拉、蹬伸、缓冲、鞭打等动作，都是通过肌肉收缩力使人体关节或器械发生一定的位移，这时肌肉收缩力就对外界作了功。由此可知功是力对物体作用效果的一种量度，反映了力对物体作用效果随物体位移的累积。2.6.2势能及其在体育中的应用由于相互作用的物体间的相对位置决定的能量叫势能。它包括重力势能和弹性势能两种。 重力势能：一个静止的物体，只要它处于一定的高度，当它下落时，就可以做功。这种能量是由于物体与地球的相对位置发生变化而具有的，叫重力势能。一个质量为的物体，距地面高度为，那么它具有的重力势能为mgH显然，物体所处的位置愈高，其重力势能愈大。弹性势能：拉满了的弓能将箭射出去；压弯了的尼龙杆能把人弹起。这表明发生了弹性形变的物体也可对外做功，因而具有能量。物体由于发生弹性形变所具有的能量叫做弹性势能。只要是弹性体，发生形变时就具有弹性势能。例如，篮球、排球、足球、乒乓球、网球等在外力作用下变形时，具有弹性势能。2.7机械能守恒和转化定律及其在体育中的应用由功能原理可知，如果系统所受内外力（除重力和弹力）都不做功或所做功的总和为零，或物体所受合外力为零，即，这时系统的总机械能保持不变。在体育运动中，严格的机械能守恒是不存在的。因为在运动中，人体所具有的机械能可以通过肌肉活动而增加（由化学能转化为机械能），也可能由于克服摩擦力产生热能而消耗一部分机械能。但就自然界总的能量来讲是守恒的。在这个前提下，各种形式的能是可以互相转换的。但能量不能创造，也不能消灭，只能由一种形式转换为另一种形式，这是自然界最普遍最重要的规律普遍的能量守恒和转化定律。2.8弹性力及其在体育中的应用发生形变的物体要恢复原来的形状而作用在与它相接触的物体上的力，叫做弹性力。所以弹性力发生在直接接触的物体之间，并以物体发生形变为先决条件。如在人体作用下，跳水跳板、撑竿跳高中的弹性竿、体操中的单杠、双杠及高低杠等体育器械都会发生一定的形变。产生的弹性力可作用在人体上，加大人体运动的速度或动作幅度。2.9斜抛运动及其在体育中的应用向斜上方抛出的物体运动叫斜抛运动5。斜抛运动又分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动。水平方向的距离叫射程，竖直方向的距离叫射高。实验证明，在抛射角小时，射程随着抛射角的增大而增大；当抛射角为时，射程最大；抛射角增大，射程反而减小。投出的标枪、掷出的铅球、跳远时的助跑等都是斜抛运动。从理论上讲，要想获得最大的射程，抛射角应该为。但实际上射程还与抛出点的高度有关，取得射程最大的抛射角不是，而是，若运动员的身体较高，抛射角应该是为佳。第3章物理定律在体育运动中的应用实例3.1投掷运动物理学在体育中还有许多应用。如相互作用力的应用在拳击运动中，双方对打就是作用力和反作用力的较量。由于双方打的部位不同，所以，才有作用程度的不同。才有胜负之分；又如动量、冲量的应用。跳远时，跳坑里面放的沙子；跳高时，跳杆下面放的海棉其目的都是为了运动员落地时增大作用时间，从而减小对运动员的冲击力。还有功和能的应用。举重运动员举重的过程就是重力做功的过程，也是运动员能量损耗的过程，做多少功，就需要有多少能量消耗。因而，身材矮的运动员重力做功小，能量损耗也少，反则反之。如果你经常观看足球比赛的话，一定见过罚前场直接任意球。这时候，通常是防守方五六个球员在球门前组成一道“人墙”，挡住进球路线。进攻方的主罚队员，起脚一记劲射，球绕过了“人墙”，眼看要偏离球门飞出，却又沿弧线拐过弯来直入球门，让守门员措手不及，眼睁睁地看着球进了大门。这就是颇为神奇的“香蕉球”。为什么足球会在空中沿弧线飞行呢？原来，罚“香蕉球”的时候，运动员并不是拔脚踢中足球的中心，而是稍稍偏向一侧，同时用脚背摩擦足球，使球在空气中前进的同时还不断地旋转。这时，一方面空气迎着球向后流动，另一方面，由于空气与球之间的摩擦，球周围的空气又会被带着一起旋转。这样，球一侧空气的流动速度加快，而另一侧空气的流动速度减慢。物理知识告诉我们：气体的流速越大，压强越小（伯努利方程）。由于足球两侧空气的流动速度不一样，它们对足球所产生的压强也不一样，于是，足球在空气压力的作用下，被迫向空气流速大的一侧转弯了。足球罚点球时，球速高达到，球速如此高，如果守门员的反应时间过大。再加上从站立处扑到扑球点需要一定的运动时间，所以守门员就不容易扑住点球了。守门员用胸部停球，那么胸部所受冲力高达1470N，如果用双手接球，冲力瞬间要减少到490N，这是因为通过手臂运动可使球的制动距离延长3倍的缘故。它可用动量定理来解释：碰撞时间增大了，作用力减小了。投掷铅球和标枪的运动员，大都是来用助跑的方法，在快速奔跑中把投掷物投掷出去。这是为了使投掷物在出手以前就有较高的运动速度，再加上运动员有力的投掷动作，投掷物就能飞得更远。推铅球时，运动员被限制在固定半径的投掷圈内，根本无法通过助跑来提高铅球的初速度。如果站在那儿不动，把处于静止状态的铅球投掷出去，那是投掷不远的。由此可知，要使铅球在出手前就有较大的运动速度，必须增加给铅球施加作用力的时间（在作用力不变的情况下）。所以，铅球运动员大都是采用背向滑步的方法：先把上身扭转过来，背向投掷方向，然后摆腿、滑步、前冲，再用力推出铅球。通过这一系列的动作，使铅球在推出前就已具有较大的运动速度。对于优秀的运动员来说，滑步推铅球比原地推铅球可增加约的成绩。投铅球时的角度应该是多少在学习物理时讨论过斜抛运动的问题：将物体以一定的速率斜向上抛出，如果空气阻力可以忽略，则仰角为多大时抛出的距离最远？上面问题的答案为。但是，推铅球的情况不同，铅球的抛掷点不是在地面上，而是离地有一段高度。所以，以同一出手速率作及仰角抛掷，当落回抛掷点同一水平面时，水平距离以者较大。但是，当它们落到地面时，水平距离却可能是者较大。通过复杂的计算，可以得到以下的结论：推铅球获得最大的距离，其出手的仰角应小于。这角度随铅球出手速度的增大而增大，而随出手高度的增大而减小。对出手高度为，而出手速度为的人来说，手仰角应为。至于其他投掷类，受空气的作用力影响较大，各有不同的最佳仰角。例如掷铁饼为；标枪为；链球为。投掷成绩的决定因素还取决与在最后用力的技巧上，投掷臂的快旋转及手腕、手指的甩动，能给投掷物再加速，从而有助于提高出手速度。投掷标枪时，还可以通过使投掷物产生顺时针方向的自由运动，来提高标枪在空中飞行的稳定性。作用在物体上的力应通过铅球的重心、标枪的纵轴。3.2拔河运动根据牛顿第三定律（即当物体甲给物体乙一个作用力时，物体乙必然同时给物体甲一个反作用力，作用力与反作用力大小相等，方向相反，且在同一直线上），对于拔河的两个队，甲对乙施加了多大拉力，乙对甲也同时产生一样大小的拉力。可见，双方之间的拉力并不是决定胜负的因素。对拔河的两队进行受力分析就可以知道，只要所受的拉力小于与地面的最大静摩擦力，就不会被拉动。因此，增大与地面的摩擦力就成了胜负的关键。首先，穿上鞋底有凹凸花纹的鞋子，能够增大摩擦系数，使摩擦力增大；还有就是队员的体重越重，对地面的压力越大，摩擦力也会增大。大人和小孩拔河时，大人很容易获胜，关键就是由于大人的体重比小孩大。另外，在拔河比赛中，胜负在很大程度上还取决于人们的技巧。比如，脚使劲蹬地，在短时间内可以对地面产生超过自己体重的压力。再如，人向后仰，借助对方的拉力来增大对地面的压力等等。其目的都是尽量增大地面对脚底的摩擦力，以夺取比赛的胜利。拔河比赛获胜的诀窍，首先，根据物体惯性大小与质量的关系，拔河队员质量越大，惯性也越大，其运动状态越难改变，稳定性越好。故组队时应挑选身强力壮、体重大的人。其次，根据合力与分力的关系，分力大小一定时，分力间的夹角越小，产生的合力越大。因此，拔河时绳线一定要保持一条直线，不能左右摇摆，每个队员都应顺着绳线向后拉，力争保持各分力间的夹角为零，不能各自向两侧或其它方向拉。第三，要利用静摩擦力。运动员的鞋子首选鞋底粗糙不打滑、摩擦系数较大的；拔河时，运动员的身体要向后倾，脚用力向前蹬地，使脚相对于地面有向前的运动趋势，地对人产生向后的静摩擦力。切不可身体前倾，脚向后蹬地或向后翘起，那样做只会帮倒忙。3.3跳跃运动跳高运动员能腾起越过横杆，靠的是助跑的惯性力和起跳蹬地时支撑力的反作用力。由于惯性力的方向是水平向前的，而支撑反作用力是垂直（或近似垂直）向上的，所以起跳后的身体重心沿着一个抛物线轨迹运动。这个抛物线轨迹的高度，取决于起跳时腾起初速度和腾起角的大小，也就是说，腾起初速度和腾起角是增加跳高高度的关键。一般说来，应该尽可能增大这两项数值。最大腾起角为。然而，由于跳高不是单纯的垂直向上运动，越过横杆还必须有一个向前的力量；再则，还须充分利用水平速度来增大腾起初速度，因此，腾起角应小于。至于腾起初速度，则和运动员的素质和技术的熟练程度密切相关。腾起初速度越大，跳得就越高。当腾起角一定时，腾起初速度是起决定作用的。提高跳远成绩的方法。首先，运动员平时要加强腿部弹跳力和奔跑速度的训练；第二，运动员在跳远时要在适当的距离内助跑，接近起跳板前要加速，力争获得较大起跳速度；第三，起跳时，脚要用力向后下方蹬起跳板，成“腾空步”状，根据牛顿第三定律，这样做可以使运动员获得较大的向上前方的反作用力；另外，根据能量转化和守恒定律，这样做可以使运动员在起跳过程中，能有更多的弹性势能转化为动能，从而获得较大的速度、增大跳远距离；第四，起跳成“腾空步”后，应使摆动腿向后快速下放摆动、用力向前伸展胸腰、双手向后摆动，靠身体内肌肉伸缩，通过相应的内力做正功，来增加跳远运动员的动能，延长其在空中“飞行”的时间，增加跳远距离；最后，运动员落地时，身体要内收，降低重心位置，增加落地时身体的稳度7。3.4滑雪运动正是由于重力的存在。才使高山滑雪者在下滑时能达到惊人的速度。不过。虽然重力对于滑雪者来说是一种极其重要的作用力，但在下滑过程中如不对其进行一定的控制，滑雪者就会像一列脱轨的火车那样笔直地冲下倾斜的雪道。这是十分危险的。为了对下滑的速度有所控制与确保安全，滑雪者必须通过不断转弯，沿“”形路线滑下坡道。干净利落的的快速转弯不仅能使滑雪者保持对身体良好的控制，同时也是缩短下坡时间的秘诀所在。滑雪运动员转弯动作之所以如此精准漂亮，得归功于他们充分利用了牛顿第三定律，也就是作用力与反作用力。在进行高山滑雪时，如果回转技术掌握的好，不仅会在雪面上留下光滑的“”形弧线而且还能减少滑雪板因为打滑和颤动而消耗能量。从物理学的角度来说，没有打滑的完美回转会带来最佳的滑雪表现，而滑雪板的边刃深槔地卡在雪面上也能使滑雪者保持身体的稳定8。对于滑雪者来说。外力大部分来自于由滑雪者自身的腿部肌肉产生的动能。在滑雪过程中力的运用如果不得当，太大或太小都会导致灾难性的后果。运动员挑战生命极限的绝技之一就是悬崖跳雪。他们通常会从12米高的岩石上一跃而下，以极其优美的姿势降落在陡峭的雪坡上。他是如何做到这一点