審核專家：羅會(huì)仟（中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員）

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說(shuō)起秋千，想必大家一定不陌生，秋千承載著我們成長(zhǎng)的歡樂，總能勾起我們美好的回憶。借助一塊木板，兩根繩索，就能在空中悠蕩。不過，你知道在我們蕩秋千的時(shí)候，是哪些科學(xué)原理讓秋千載著我們?cè)绞幵礁邌幔?/p>

秋千的起源

秋千運(yùn)動(dòng)在中國(guó)的歷史相當(dāng)悠久。遠(yuǎn)古時(shí)期，我們的靈長(zhǎng)類祖先為了上樹采摘野果、逃避或獵殺野獸在攀巖和奔跑中上樹或越過鴻溝，出于本能機(jī)械地用手臂抓住蔓生植物，依靠藤條的擺動(dòng)獲取高處的食物，這使秋千有了原始的雛形。

米諾斯文明末期的文物，表現(xiàn)人物蕩秋千的樣子

來(lái)源丨維基百科

經(jīng)過長(zhǎng)期的演進(jìn)和進(jìn)化，到了人類的文明時(shí)代，許多地方都出現(xiàn)了早期的秋千，這一點(diǎn)在很多考古研究中都有所體現(xiàn)，例如希臘的米諾斯文明以及我國(guó)春秋時(shí)期北方的山戎民族等。蕩秋千慢慢成為一種娛樂方式，樣式也越來(lái)越多。秋千這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)廣泛流傳逐漸普及全國(guó)，受到廣大人民群眾的歡迎。

來(lái)源丨電影劇照

唐宋時(shí)期，人們生活水平逐漸提升，隨后秋千運(yùn)動(dòng)進(jìn)而演變成了節(jié)日的狂歡項(xiàng)目和娛樂媒介。清明節(jié)也被稱為“秋千節(jié)”，一些傳說(shuō)中認(rèn)為蕩秋千可以驅(qū)除百病。

民間的人們也在每個(gè)清明時(shí)節(jié)郊游踏青，并用竹子搭架秋千，就此盡情舞蕩和玩耍嬉戲?，F(xiàn)如今，秋千在華夏已經(jīng)有上千年的歷史了，它見證了朝代的興亡更替，也留下了民族的烙印。秋千已經(jīng)發(fā)展成一種藝術(shù)的化身，集功能和娛樂為一體，并賦予很多美感，讓人賞心悅目的同時(shí)也不失其趣味性。

秋千是個(gè)物理現(xiàn)象

秋千實(shí)際上可以被看作簡(jiǎn)單的力學(xué)系統(tǒng)，它所受的外力有兩個(gè)：一個(gè)是垂直向下的重力；另一個(gè)是沿著秋千繩方向的約束力。蕩秋千最簡(jiǎn)單的玩法就是在秋千板上坐著，等著別人來(lái)用力推著蕩。這時(shí)的秋千的運(yùn)動(dòng)類似于單擺的運(yùn)動(dòng)，但由于空氣阻力以及摩擦阻力會(huì)阻礙秋千的擺動(dòng)，因此秋千擺動(dòng)的幅度會(huì)越來(lái)越小，直到停止。

如果此時(shí)一個(gè)人在旁邊施加外力不斷地推，就會(huì)使秋千越蕩越高。當(dāng)秋千蕩到最高點(diǎn)時(shí)，順著秋千繼續(xù)擺動(dòng)的方向施加一個(gè)外力，就能將秋千推得更高；但是如果施加一個(gè)與秋千運(yùn)動(dòng)方向相反的力，此時(shí)外力會(huì)阻礙秋千的運(yùn)動(dòng)從而使秋千的高度減小。

在我們蕩秋千時(shí)，向下蕩的過程會(huì)有短暫的失重感，我們可能會(huì)感覺到緊張和恐懼。當(dāng)秋千越蕩越高，快速下蕩的時(shí)候，人體受到離心力的影響，小腹處感到輕微壓迫，會(huì)有種想要尿出來(lái)的感覺。在蕩秋千的過程中不斷克服緊張和恐懼，能夠增強(qiáng)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。

秋千如何越蕩越高？

如何不依靠地面外力讓秋千維持?jǐn)[動(dòng)和蕩得更高，是每個(gè)參與秋千運(yùn)動(dòng)的人都希望達(dá)到的目標(biāo)。

觀察蕩秋千時(shí)，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(dòng)作。這時(shí)雖然沒有外力推動(dòng)，但人所做的動(dòng)作實(shí)際上增加了系統(tǒng)能量。因此，當(dāng)考慮阻力時(shí)，只要人體動(dòng)作轉(zhuǎn)化為機(jī)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(huì)越蕩越高。

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人體和秋千系統(tǒng)的重心可以簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，重心位置隨著姿勢(shì)的改變而發(fā)生改變，屈膝蹲下時(shí)重心偏低，而伸腿站起時(shí)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(shì)能最大，動(dòng)能最小。

在秋千由高處回?cái)[過程中，人開始下蹲，重心位置往下移，整個(gè)系統(tǒng)的重力勢(shì)能也在不斷轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，速度也越來(lái)越快，直到秋千回到最低點(diǎn)的時(shí)候，速度最快，系統(tǒng)的動(dòng)能達(dá)到最大、重力勢(shì)能最小。如果這個(gè)過程人沒有下蹲，系統(tǒng)的動(dòng)能增加幅度不會(huì)那么大，反而會(huì)因?yàn)樽枇Σ粩鄵p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(shì)能增加，動(dòng)能減少速度變緩，系統(tǒng)總的機(jī)械能實(shí)際上是增加的，最終秋千也會(huì)比上一次蕩的更高。這是因?yàn)槿梭w消耗自身能量克服重力做了功，所以會(huì)感覺到腿腳很用力，時(shí)間久了會(huì)很疲勞。

如下圖所示，將蕩秋千過程視為單擺運(yùn)動(dòng)，紅色區(qū)域?yàn)榍鞍氤?，藍(lán)色區(qū)域?yàn)楹蟀氤?，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(shí)現(xiàn)了越蕩越高，其能量來(lái)自于收放腿時(shí)所做的功。

蕩秋千運(yùn)動(dòng)過程簡(jiǎn)圖 來(lái)源丨網(wǎng)絡(luò)

由此看來(lái)，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(shí)要雙手握繩，隨上下擺動(dòng)而用力，整個(gè)過程主要依靠腰部、腿部和臀部力量實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)。

秋千歷史悠久，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單卻蘊(yùn)藏著豐富的物理知識(shí)。在中華文化中，秋千也寄托著安康、幸福的美好寓意。讓我們?cè)趯W(xué)習(xí)工作之余，再蕩一次秋千，蕩走煩惱，蕩回歡笑。

標(biāo)簽： 重力勢(shì)能 重心位置