中学物理原理在跑步中的应用分析
摘要:跑步作为一项集竞技、锻炼等为一体的全民性体育竞技项目，在当前的体
育中扮演了重要作用。尽管跑步运动看起来很简单，但是其中蕴含的物理学却是深刻的，这就需要我们对于其中蕴含的物理学知识进行分析，找出最佳的跑步方案，进而提高跑步者的跑步效果。同时我们将跑步运动中涉及到的物理学知识进行分析，将跑步者在跑步运动中的技术动作进行物理学剖析，构建出相应的物理学原理研究模型，找出提高跑步者成绩的方法。
关键词：中学物理原理；跑步；技术动作 引言
跑步运动作为一项全民性质的体育项目，其中蕴含的物理学问题也是深刻的。物理原理控制着跑步过程，因此研究跑步运动中涉及的物理知识具有重要的意义。本文通过分析跑步运动中涉及到的物理知识，包括力的作用是相互的、力是改变物体运动状态的唯一要素、能量转化与守恒等，并且分析这些知识在跑步运动全过程中的具体应用，为进一步提高跑步跑步者的成绩提供科学指导。
一、跑步中涉及到的物理原理
（一）力是改变运动状态的唯一因素
根据中学物理学的相关知识可以知道，从物理学的角度来说力是改变物体运动状态的唯一要素，这也就意味着如果没有力存在的情况下，物体的运动状态是不可能从静止或者匀速运动状态转变为其他运动状态的。根据牛顿力学作用力和加速度的关系可知，加速度是决定着物体速度变化的要素，而速度则体现着物体的运动状态，这也就是说当物体的加速度不为零时，物体的运动速度才会发生变化，物体的运动状态才会发生改变。而要想让物体的加速度不为零，我们就需要施加一个外力。例如一块静止不动的大箱子，我们想要使其运动状态发生改变，那么我就需要施加一个大于摩擦力的推力才能够使其运动状态发生变化。而根据牛顿第二定律，可知加速度与物体所受到的外力成正比，因此想要改变物体的运动状态，必须要有外力的产生，因此力是改变运动状态的唯一因素。 （二）力的作用是相互的
根据牛顿第三定律可知，力的作用是相互的，每个作用力都有一个大小相等方向相反的反作用力。这也就意味着我们给某一个物体施加一个力，那么被施力物体将会给我们一个大小相同，方向相反的作用力。跑步者在跑步的过程中我们通过脚部给地面一个向后的作用力，那么地面就会给跑步者一个向前的作用力，在这个作用力的作用下，跑步者就能够向前跑动。同时人体在进行跑动的过程中，只有当手臂和腿运动相反的时候，人体获得的速度才是最大的，也就是说跑步者右臂向前运动的时候左腿同时向前运动，左臂向前运动的时候右腿同时向前运动,只有这样相互交替跳远者在跑步过程的力学结构才是最合理的。从物理学的角度来说，如果在跑步过程中跑步者的手臂与大腿的运动方向相同，那么就会存在左右两边的身体运动不对称，那么地面施加给跑步者的力就会不均匀作用在跑步者，进而使得跑步者身体不稳定，影响跑步成绩。 （三）冲量与动量转化
动量和冲量是我们研究物体受力情况和物体速度之间变化的规律，也是当前研究各类运动最基本的物理定律。动量是物体运动所遵守的物理规律之一，动量其体现着物体的质量与运动速度对于物体运P是物体的质量m和速度v的乘积，
动的作用。冲量I是作用力F的时间t累积效应的量度。而一般情况下我们认为短的时间内力的大小和方向是不发生变化的，那么冲量与动量之间是等价转化的。在我们的物理学研究中，动量的增加或者减少等于冲量的减少或者增加，这也就是说当动量减少多少，那么冲量就会增加多少。这是一个普遍成立的物理公式，也是自然最基本的物理法则之一，通过这个关系式我们建立了质量、速度、作用力，力的作用时间四者之间的关系式。而一般情况下物体的质量是不发生变化的，也就说质量是一个常数，那么我们知道这个关系式中的任意两个未知量就可以确定另外一个物理量。例如在跑步起跑阶段跑步者需要给地面施加一个力，而这个力会作用一个较小的时间，在这个时间内跑步者的跑步速度会逐渐增加，直到其脱离地面在空中运动运动，当运动员脱离地面后，那么在重力的作用下，其在竖直方向会向下运动，在重力冲量的作用之下，跑步者就会落到地面。 （四）能量转化守恒
作为自然界最基本的物理规律，能量转化与守恒在很多运动中均涉及到的。
作为自然界的普适定律，能量转化与守恒规律是我们研究的重点，也是辅助我们解决物理问题的有效方法之一。例如在研究某一个物体的上抛运动，我们可以利用能量转化与守恒定律很快地进行解决。在物体上抛过程（只受到重力的作用）中，物体的速度不断较小，动能不断转化为重力势能，当物体运动到最高点的时候，物体的速度变为零，动能完全转化为重力势能。此后物体进行下落运动，速度不断增加，重力势能转化为动能，当物体运动到零势能面的时候，此时的重力势能完全转化为动能。在研究过程中我们通过建立能量转化与守恒方程，即动能的增加或者减少等于重力势能的减少或者增加。因此在整个运动分析过程中能量转化与守恒是贯穿在其中的，各种运动状态以及受力情况是会发生变化的，但是能量却是守恒的，只是具体的能量形式发生了变化。
二、物理原理在跑步中的具体应用分析
（一）速度在跑步中的运用
速度是衡量物体运动快慢的基本物理量，速度越大则物体的运动越快。在跑
步运动中，速度的作用是极其重要的。常见的短跑、长跑、接力跑等跑步运动，都是以限定路程内的计时的多少来确定选手的跑步成绩的，如世界短跑名将博尔特的百米短跑时间在10s以内，这也就意味着他的平均速度超过10m/s。参加过短跑运动会的人一定不会陌生，选手是看到发令枪“冒烟”开始跑步，而不是听到发令枪的枪声再开始跑，这是因为在空气中光的传播速度远比声音要快，如果选手听到枪声再跑那么他无形中要比其他选手要晚上约0.3s，同时计时员看到对面发令枪“冒烟”就开始计时，那么其计时效果要比听到枪声再计时要精确的多。在跑步过程中速度的控制也是极其重要的，科学实验表明，在百米短跑中选手要在30m-50m路程内将自己的速度提升到最大，并且一直保持这个速度，只有这样才能够保证选手跑出最佳的成绩。在3000m（俗称七圈办）长跑中，选手一般都是在200-300m（半圈）将自己的速度提升到一个较好的状态，并且保持这个速度直到最后的一圈，然后选手开始加速直到冲过终点线。 （二）力以及惯性在跑步中的运用
与跑步联系较大的力就是摩擦力，选手跑步中获得向前的动力就是来源于地面施加给选手的摩擦力。在跑步运动中，很多选手为了提升自己的成绩，一般情况下都是穿着底上带有鞋钉的跑鞋，这样依靠鞋底上突兀不平的鞋钉就可以使得
选手获得较大的动力。除此之外，摩擦力在其他竞技类项目中也有着较为广泛的运用，如举重运动员以及体操运动员在比赛之前，都会在手上涂抹一些镁粉，这样就可以在比赛中增大选手手掌与比赛器材之间的摩擦力，从而使得选手获得最佳的比赛成绩。
惯性是物体冲量的表现形式，这是因为一切物体都有保持原运动状态的性质，物体的速度不会凭空出现也不会凭空消失。运动员在比赛场上进行各类竞技项目比赛中，不仅要充分利用惯性，也要有效防止惯性，只有这样才能够有效提升运动员的比赛成绩。例如在跳远运动中，选手都会选择先助跑一段距离，然后在即将离开助跑跑道的时候身体腾空而起，充分利用惯性来达到最佳的成绩。在最掷铁饼运动中，选手在限定的圆圈内会做高速运转，其目的是有效增加铁饼离手的速度，而当铁饼离手后，为了避免较大的惯性将自己带出圆圈内，仍需要继续旋转几圈。在短跑运动中，选手以高速通过终点线的时候不会选择立即停下来，而是在跑过终点线以后逐渐降下自己的速度，直到速度降下来。在长跑运动中，选手在跑步的时候应该尽量保持自己运动方向在同一直线上，这样就可以有效利用惯性，从而以最省力的方式保持较理想的速度。 （三）平衡在跑步中的运用
平衡是保证物体处于稳定运动状态的前提，对于人体来说只有通过重心的
重力线通过物体物体与支持着它的物体的接触面，那么人体才能够处于平衡状态，否则人体就会发生倾斜。例如在体操比赛平衡木项目中，选手要始终保持自己身体的重力作用线与平衡木相接处，而由于平衡木给人体的接触面较小，这就需要选手极力控制自己身体的重心落在平衡木上。同时生活经验告诉我们，当我们身体处于不平衡状态时候，我们会通过前后摆动手臂，重新调整自己身体重心线的位置，并使其通过支撑面，从而保证我们身体处于平衡状态。在跑步运动中，尤其是长跑运动中，我们更要控制自己身体的平衡。这样就需要选手控制自己的步频、步幅，同时我们的手臂也要前后均匀摆动，这样不仅可以有效保证我们的身体处于平衡状态，同时也可以提高我们的跑步成绩。 （四）能量守恒在跑步中的运用
能量守恒是各类运动中最基本的物理原理，其决定着物体运动性质以及运动能力。以排球运动为例，在排球上抛过程（只受到重力的作用）中，排球的速度
不断较小，动能不断转化为重力势能，当排球运动到最高点的时候，排球的速度变为0，动能完全转化为重力势能。此后小球进行下落运动，速度不断增加，重力势能转化为动能，当排球运动到零势能面的时候，此时的重力势能完全转化为动能。在忽略空气阻力以及摩擦损失，可以认为即动能的增加或者减少等于重力势能的减少或者增加。在跑步运动中，选手通过肢体的运动，将身体的机械能转化为克服地面摩擦力产生的内能和选手向前运动产生的动能。
结语：在跑步运动中中，跑步者的四肢运动状态、动作的变化方向、身体伸展
幅度以及力度、地面施加的作用力等方面是一直在发生变化的，因此针对这些要素展开的分析也是不尽相同的。在跑步过程中，跑步者需要掌握跑步的相关要领，能够熟练地运用各种形体姿势之间变化的规律。而通过中学物理原理在跑步中的应用研究，可以提高跑步者对于跳远中物理学原理的掌握，从而熟练运用这些原理，提升自己的跑步成绩。
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