健身的奥秘——与牛顿力学三定律的关系

本文将给大家带来的是《PCC手册》中关于自重力学的探索分析,将牛顿最负盛名的三大定律分析自重健身中的运动力学,希望对大家理解自重健身有所帮助。

本文将给大家带来的是《PCC手册》中关于自重力学的探索分析,将牛顿最负盛名的三大定律分析自重健身中的运动力学,希望对大家理解自重健身有所帮助。

“力学”研究的是动作,因此,它是物理学的传统分支。但是在体育和自重训练中,力学得到了巨大的应用,所以说它具有另一个名称——“运动学”。

力学有助于理解作为一切自重训练的基石而存在的运动科学,即使领悟它的一点皮毛也将让你受益匪浅。在本部分,我们将探讨经典力学之中一些有用的观念,尤其是英国物理学家牛顿(1642-1727)所提出的那些。虽说牛顿的部分见解(主要是关于空间、时间和重力的看法)受到现代理论(尤其是广义相对论)的质疑,但他的理论还是相对精准的,并且广泛地沿用至今。

牛顿的第一运动定律

这条定律陈述如下内容:

“除非受到不平衡的力,否则静息的物体永远静息,运动的物体永远匀速直线运动。”

它常被称为“惯性定律”,因为它提出的概念是物体需要受力才能改变速率——改变速率时(不论静止或是运动)的这份“惰性”就是我们所说的惯性。

这条定律同样帮助我们定义“质量”:物体拥有的惯性的量。在受力平衡的状态下,物体质量越大,越难以移动。

从本质上说,根据伽利略的力学相对性原理,这条定律将静止与运动视作等同。在静止的参照系中或音速前进的飞机上进行引体时,锻炼所需要的力(和自己身体受到的力)完全是相等的。因此,关于参照系整体的运动或静止,我们的身体一无所知。只有加速或减速(譬如飞机起飞或汽车制动)时,我们才会“感觉”到运动的存在:这正是本定律提及“不平衡的”力的原因——直线匀速运动是“平衡的”,且无法区分于静止。

一言蔽之,平衡受力下,净受力(F)等于0,物体不会加速会减速。此时的速率(v)同样等于0。用数学公式来表达:

如果F=0,那么a=0,v保持不变。

应用

许多朋友的思维存在误区,认为牛顿第一定律只适用于外太空,因为外太空之中的物体不管是否受到推进都会“永远”直线运动。当然,牛顿第一定律可以应用到任何地方。

至于它在自重动作中的应用,下面是一些关键要素:

重力下压,人力上抬

牛顿第一定律告诉我们,造成运动的不是“力”,而是“不平衡的力”。假设将你下拉重力消失,那么不需要任何额外的力,你就会从深蹲的最高位开始持续上升,一路登天。

质量越大,改变速率所需的力越大。也就是说,进行同一个动作(比如深蹲或俯卧撑)时,体重越大的人需要的力也越大,因此不同人耗力不同:所需的力与人的体重有关(能量同理)。

惯性是速率的产物,受其影响,保持运动中的物体继续运动所需的力较小。因此,动作产生的惯性越大,持续进行所需的力越小。进行相同动作时,惯性最大的人耗力最小。虽然可以提升能量的利用率,但这也有消极的一面——耗力是高效练习的关键一环。

“力学”研究的是动作,因此,它是物理学的传统分支。但是在体育和自重训练中,力学得到了巨大的应用,所以说它具有另一个名称——“运动学”。

牛顿最负盛名的三大定律,并与自重健身相结合,本系列文章较难读懂,建议大家多读几遍,去体会其中的道理~

牛顿第二运动定律

这条定律陈述如下内容:

“物体受力产生加速。(待加速的)物体质量越大,(加速所需的)力也越大。”

第一定律告诉我们,运动和静止是等价的状态,改变不出现在“动作”范畴,而是“加速”范畴(或者还有“减速”,但二者在物理学之中不存在本质差异)。而本定律更注重图片之中的变量,并向我们讲述测量净力的方式。

匀速直线运动的物体受到的净力为零(这句话的意思不是不受到任何力,而是不受到不平衡的力)。只有在速度出现改变(加速)时,净力才会增加,且等于物体的质量(惯性)乘以加速度。

将净力设定为F,质量为m,加速为a,以数学公式表达如下:

F=m×a(或者F=ma)

换种说法,加速度是净力除以质量:

A=F/m

这些公式表达了净力、质量与加速度的关系。看起来稍显复杂,但实际上我们可以直观地理解其中的关联:在训练中推动一件物体时,我们赋予它的加速度(运动快慢)与我们产生的力(推动强度)以及物体的重量直接相关。在一个极端上,我们可以将大量的力施加在低质量的物体之上:比如踢足球,使它获得大量的加速度,换句话说,它将移动较长的一段距离。而在另一个极端上,我们将力施加在质量巨大的物体之上,那么它不会移动(不获得加速度):比如在地面上进行俯卧撑,因为底面的质量比我们推动的力大得多的缘故,它不会移动(但我们反而会移动,但这是牛顿第三定律的内容了)。

牛顿第二定律中,加速度、质量和净力相互关联。重量越大的人,进行身体运动所需的力也越大。

应用

F=ma的等式可以帮助我们轻易计算运动中的净力。以国际计量单位为标准,净力具有一个极为贴切的标准单位——牛顿(N)。它的定义如下:

“使质量为一千克的物体获得一米每秒平方加速度所需的净力大小。”

举个例子,体重75千克的人进行双立臂,需要在一秒内使自己的身体上升一米,那么我们可以得出所需的净力是F=75×1或者说75N。

“力学”研究的是动作,因此,它是物理学的传统分支。但是在体育和自重训练中,力学得到了巨大的应用,所以说它具有另一个名称——“运动学”。

了解三大定律为主的力学原理,与自重健身相结合进行思考,有益于自身的双重提高,智慧与体能!

牛顿第三定律

这条定律陈述如下内容:

“每个作用力都存在大小相等方向相反的反作用力。”

所有定律都具有多种字面表达方式,而本定律比较不通俗的另一种说法是:

“一个物体向另一个物体施加的力,总是伴随着后者向前者施加的大小相等方向相反的力。”后一种说法或许更适用于运动员。

我们会偶尔将本定律称为“反作用力定律”。它告诉我们,任何既存的力,都具有大小完全相等且方向相反的力。将标准俯卧撑作为例子,名为“撑”,但我们的手臂实际上是向着地面“下压”,而这正是作用力。但是地面的质量明显大于我们下压的作用力(见牛顿第二定律),因此反作用力最终使我们的身体获得加速。换句话说,地面太重无法推动,因此被推动的是我们。

这个例子演示了第三定律的要素之一:牵涉到多个物体时(实际上必须牵涉多个物体),作用力与反作用力不一定作用于同一物体。俯卧撑向下的作用力作用于底面,但向上的反作用力作用于人体,这点时常受到误解。此外,你也需要理解“作用力”和“反作用力”两个术语是片面的,因为它们在同一时间出现。

类似所有的其他定律,第三定律也可以使用公式进行表达。物体A作用于物体B的力(F AB)与物体B反馈至物体A的力(F BA)大小相等:

F AB=F BA

在存在运动的任何场合,我们都可以找到作用力与反作用力,但是它们存在的基础是摩擦力:极小的摩擦力将导致作用力无法产生,因此反作用力也不能出现。试想一下,试着在冰面上奔跑但保持在原地无法移动,或者试着在泥浆中进行俯卧撑但双手无法固定。这是隐藏在一项重要安全措施背后的科学:绝大多数情况下,我们必须在高摩擦力的环境中(避开滑溜的材料或液体等)进行自重训练。

牛顿第三定律是自重动作进行的前提。你向地面施加向下的力(作用力),同时,地面想你反馈向上的力(反作用力)。

应用

因为力的吸收而造成组织损伤,是牛顿第三定律的体现之一。传递经过身体的力(作用力)不可避免地被身体吸收(反作用力),换句话说,与小发力相比,产生较大的力时,身体需要承受更大的惩罚。

这在爆发性或增强式动作中尤为显著。由于重力的缘故,(比如跳跃或俯卧弹中)落地时的力比离地时的更大,而这一身体击向地面的力反过来通过自己的身体,存在造成损伤的可能。讽刺的是,在踏板课程中,很多人向上踏(人体产生的力较小)之后向下跳(重力产生的力较大)——向上跳(人体对抗重力产生中等的力)之后向下踏(较小的力)可以减少损伤,做到事半功倍。

本文不易理解,建议收藏后细细品味~