文档介绍：拔河比赛中的物理知识与技巧
李贵辉
浙江衢州第一中学, 浙江省衢州市 324000

在一次学校元旦教师文体活动中举行了一场拔河比赛,气氛非常热烈,每个年级组都挑选重量级的教师参加。在拔河时,很多年级组长要求自己比赛队员把重心尽量降低,结果比赛有赢有输,当然输赢原因很多。比赛结束后回到办公室的物理老师开始讨论拔河比赛技巧。一方老师说重心低好,因为拉力产生的力矩小,不易被拔倒;另一方老师却认为重心高好,因为高重心姿势可以使自身受到绳子拉力的部分分力垂直向下,对地面产生更大的压力,从而增加了最大静摩擦力,所以该队不易被拔动。本文对该问题进行探讨。

f
G
N
F
x
y
图2
甲
乙
图1
F甲
F乙
拔河比赛可简化为图1,F甲与F乙为作用力和反作用力,大小相等,方向相反。为了方便比较,我们可以先简化条件,认为地面粗糙程度相等,两队队员的质量相等。从拔河比赛过程中,我们知道,比赛输方可能有两种情况,情况一:队员滑动地被拉过去,队员与地面之间为滑动摩擦力。情况二:队员与地面无滑动,由于队员向前倾斜,队员防止被拉倒,队员走着被拉过去,人与地面之间受到静摩擦力。
分析两种拔河比赛获输的物理原因。
情况一:把输队看作质点,受力分析如图2,当时,该队被拉动而输掉比赛,若该队重心较低,则拉力F斜向上,,支持力小于人的重力,则摩擦力变小。而重心较高的队,拉力向下,
支持力大于人的重力,则摩擦力也大。
G1
G2
F2
F1
图3
以上分析说明,高重心姿势可以使自身受到的拉力的部分分力垂直向下,对地面产生更大的压力,从而增加了最大静摩擦力,与地面支持力产生的合力更大,使选手能够抗拒更大的拉力。这时若体重相等和地面粗糙程度相同的两组选手分别采用低重心和高重心姿势比赛,则低重心的一方首先会被拉得向前滑动,从而导致
比赛失败。
情况二:把人体看作一刚体。
人的身体绕脚与地面的接触点转动,对人受力的力矩进行分析,如图3,拉力F1和 F2为相互作用力,大小相等,方向相反. 身体向后倾斜大和重心低的人,重力产生的力矩就大,而拉力产生的力矩就小。身体向后倾斜小和重心高的人,重力产生的力矩就小,而拉力产生的力矩就大。当拉力的力矩大于重力的力矩时,人就要向前翻倒,该队队员为了保持平衡而不得不向前移动,从而输掉比赛。
由此可得出结论,身体向后倾斜大且低重心姿势比身体向后倾斜小且高重心姿势能对抗更大的翻倒力矩。若体重相等的两队拔河,随着拉力不断地增大,采用高重心姿势的队将先被拉得向前倾倒而输掉比赛。

队员的体重是影响拔河比赛胜负的重要因素之一,从上面分析可知,摩擦系数一定时,体重越大,获得的最大静摩擦力也越大,对抗起来更为有利。
队员的身高也是影响比赛结果的另一重要因素,由上述分析可知,身材高大的选手对拉力与水平面角度的调节,以及对拉力力矩的调节都有更大的范围,能够在调整姿势中产生更好的效果。因此,在体重相等的情况下,应选身材高大的人参