審核專家：羅會仟（中國科學院物理研究所副研究員）

(資料圖片)

說起秋千，想必大家一定不陌生，秋千承載著我們成長的歡樂，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候，是哪些科學原理讓秋千載著我們越蕩越高嗎？

秋千的起源

秋千運動在中國的歷史相當悠久。遠古時期，我們的靈長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，出于本能機械地用手臂抓住蔓生植物，依靠藤條的擺動獲取高處的食物，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

來源丨維基百科

經過長期的演進和進化，到了人類的文明時代，許多地方都出現(xiàn)了早期的秋千，這一點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春秋時期北方的山戎民族等。蕩秋千慢慢成為一種娛樂方式，樣式也越來越多。秋千這項運動廣泛流傳逐漸普及全國，受到廣大人民群眾的歡迎。

來源丨電影劇照

唐宋時期，人們生活水平逐漸提升，隨后秋千運動進而演變成了節(jié)日的狂歡項目和娛樂媒介。清明節(jié)也被稱為“秋千節(jié)”，一些傳說中認為蕩秋千可以驅除百病。

民間的人們也在每個清明時節(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。秋千已經發(fā)展成一種藝術的化身，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也不失其趣味性。

秋千是個物理現(xiàn)象

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

如果此時一個人在旁邊施加外力不斷地推，就會使秋千越蕩越高。當秋千蕩到最高點時，順著秋千繼續(xù)擺動的方向施加一個外力，就能將秋千推得更高；但是如果施加一個與秋千運動方向相反的力，此時外力會阻礙秋千的運動從而使秋千的高度減小。

在我們蕩秋千時，向下蕩的過程會有短暫的失重感，我們可能會感覺到緊張和恐懼。當秋千越蕩越高，快速下蕩的時候，人體受到離心力的影響，小腹處感到輕微壓迫，會有種想要尿出來的感覺。在蕩秋千的過程中不斷克服緊張和恐懼，能夠增強自我控制能力，有利于身心健康。此外，經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擺動和蕩得更高，是每個參與秋千運動的人都希望達到的目標。

觀察蕩秋千時，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作。這時雖然沒有外力推動，但人所做的動作實際上增加了系統(tǒng)能量。因此，當考慮阻力時，只要人體動作轉化為機械能的能量大于因克服阻力做功而消耗的能量，則秋千就會越蕩越高。

來源丨百度百科

人體和秋千系統(tǒng)的重心可以簡化為一個質點，重心位置隨著姿勢的改變而發(fā)生改變，屈膝蹲下時重心偏低，而伸腿站起時重心偏高。秋千在高處，人如果是站立的，系統(tǒng)的重心最高，重力勢能最大，動能最小。

在秋千由高處回擺過程中，人開始下蹲，重心位置往下移，整個系統(tǒng)的重力勢能也在不斷轉化為動能，速度也越來越快，直到秋千回到最低點的時候，速度最快，系統(tǒng)的動能達到最大、重力勢能最小。如果這個過程人沒有下蹲，系統(tǒng)的動能增加幅度不會那么大，反而會因為阻力不斷損耗。

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，勢能增加，動能減少速度變緩，系統(tǒng)總的機械能實際上是增加的，最終秋千也會比上一次蕩的更高。這是因為人體消耗自身能量克服重力做了功，所以會感覺到腿腳很用力，時間久了會很疲勞。

如下圖所示，將蕩秋千過程視為單擺運動，紅色區(qū)域為前半程，藍色區(qū)域為后半程，通過改變自身狀態(tài)使得后半程的擺角大于前半程，從而實現(xiàn)了越蕩越高，其能量來自于收放腿時所做的功。

蕩秋千運動過程簡圖 來源丨網絡

由此看來，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。蕩秋千時要雙手握繩，隨上下擺動而用力，整個過程主要依靠腰部、腿部和臀部力量實現(xiàn)上下擺動。

秋千歷史悠久，結構簡單卻蘊藏著豐富的物理知識。在中華文化中，秋千也寄托著安康、幸福的美好寓意。讓我們在學習工作之余，再蕩一次秋千，蕩走煩惱，蕩回歡笑。

標簽： 重力勢能 重心位置