合外力为什么小于拉力,合外力方向和速度的关系

首页 > 经验 > 作者:YD1662024-02-03 21:53:24

(续前文)

3 立地向前下方加速挥拍力矩

向下挥拍与向上挥拍相比,最大的不同就是多一个相向运动(图1)的发力和力矩。相向运动是人体(在无支撑或支撑力线通过重心条件下的)各肢体之间的相对运动。最常见的相向运动就是以髋线为轴的身体折叠与打开,比如屈体跳水,排球的扣球、体操的仰卧起坐、足球的倒挂金钩射门、舞蹈中的倒踢紫金冠等等。

合外力为什么小于拉力,合外力方向和速度的关系(1)

我们知道,作用通过重心的外力(如重力等)对人体旋转无直接影响。相向运动最鲜明的特点是合外力矩为零,即∑M外=0。此时人体运动符合角动量守恒定律,即角冲量ΔL=MΔt = J2ω2 - J1ω1=0。比如上述屈体动作,上下两个角动量M2、M3大小相等、方向相反,互相抵消,合矢为零(图2)。

合外力为什么小于拉力,合外力方向和速度的关系(2)

显然,相向运动的M2、M3虽然不能赋予身体整体动能,不能移动身体重心,但能够驱动全身各部分肢体做功。有资料将这种内力改变身体形状、姿势的效应称为内效或变形效应。相向运动时上、下半身的受内力矩方向恰好相反,如图2所示,上半身受肌肉拉力向下,而下肢受肌肉拉力向上(图2)。

其中M2能使上半身(连同球拍)重心下压,向下方转动;M3能使下肢重心抬升,向上方转动。这两个运动都能从宏观上被观察到:M2能使球拍加速运动向下击球,M3能使双足重心抬高,出现踮脚、提踵甚至离开地面的现象(图3)。

合外力为什么小于拉力,合外力方向和速度的关系(3)

注意,此时球员离地腾空不是靠蹬地力或地面弹力“跳起来”的,而是受相向运动肌肉向上的拉力“带起来”的。所以,虽然M2对于身体整体而言,属于内力矩,但对球拍而言,显然是外力矩。

合外力为什么小于拉力,合外力方向和速度的关系(4)

球拍被向前下方向挥动时,球拍主要由四个外力的合力(矩)驱动:弹力FN、摩擦力FH、重力G、肌肉挥拍力FR。其中前三者是对全身作用(球拍随身而动),后者是对上半身作用(球拍随动),它们都能使球拍获得加速(图2、图4)。

假设地面支反力的向上分力------弹力FN等于重力G,二者在人体重心处抵消,仅剩水平分力------向前的摩擦力FH1。注意此处假设,弹力FN不一定要等于重力G,,FN可以大于、等于、小于 G,只需要保证球拍最终所受垂直方向合外力小于零即可。因为球拍向下被加速,显然球拍所受上下方向的合外力方向向下,即向上的弹力FN完全被向下的外力(重力G和肌肉发力FR)抵消,向下的外力还有剩余(注意,肌肉发力FR对人体是内力,但对球拍是外力)。

下面讨论球拍受力细节。FH1带动全身向前运动,球拍随动。球拍受力fh1是FH1的一部分,根据二者质量比例分摊到球拍上(F=ma)。球拍还受到一个向前下方的肌肉发力fr1,它由M1、M2两个力矩分摊到球拍上的合力矩产生,分摊依据是全身、上半身和球拍的转动惯量相对大小(M=Jβ,Mdt=Jdω)。fh1与球拍所受相向运动的肌肉发力fr1形成合力F4,这就是向下挥拍力(图4)

4 腾空斜向下加速挥拍力矩(图5)

合外力为什么小于拉力,合外力方向和速度的关系(5)

当腾空加速向前下方挥动球拍时,整个人体呈斜抛运动状态,水平方向为匀速直线运动,垂直方向只受到向下的重力G1作用。此时,对人体显然不存在地面支反力,即向上的弹力和水平方向摩擦力均为零。少了地面支反力,人体和球拍受力情况要简单一些,只有重力G与肌肉发力FR。

向下挥拍击球动作相向运动所产生的上下两个角动量M2、M3大小相等、方向相反,互相抵消,合矢为零(图4)。其中M2能使上半身(连同球拍)重心下压,向下方转动;M3能使下肢向上方转动。

球拍而言,除了受到自身重力G2作用以外 ,还会受到人体相向运动向前下方的肌肉发力FR作用,二者的合外力为F3,即向下挥拍力F3

这个受力分析图把速度v0画出来是提示一下:挥拍力F3是叠加在v0的基础上发挥作用的,即F=ma,vt=v0 at。而这个v0当然是蹬地起跳时,地面支反力的作用效果。所以,即使是一板腾空击球,地面支反力并非完全没有贡献,它至少能提供人体腾空的高度和速度,从而影响挥拍击球力的大小和方向。

(全文完)

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