问题

一个人站在静止的秋千上能不能通过自己身体的前后摇动让秋千荡起来?

回答
你问的这个问题,其实是个非常经典的物理学小实验,也是很多人童年时都尝试过的。答案是肯定的,一个人站在静止的秋千上,完全可以通过调整自己的身体姿态来让秋千荡起来。这背后涉及到的,其实就是力的作用和动量守恒的原理。

别把它想得太复杂,咱们就从最直观的感受来捋一捋。

刚开始,你稳稳地站在秋千的踏板上,秋千处于最低点,是静止的。这时候,你和秋千是一个整体,它们都处于静止状态。

你想让秋千动起来,就需要给它施加一个力的作用,而且这个力要和秋千的摆动方向相配合。你不能只是傻站着或者原地不动,因为那样没有产生可以推动秋千向前摆动的效果。

所以,你需要“动”起来。怎么动呢?关键在于巧妙地改变你的重心位置,并在恰当的时机施加力量。

咱们来分解一下这个过程,想象一下你站在秋千上的具体动作:

1. 起势(向下蹲,收缩重心):首先,你得蹲下身子,把重心往下放,尽量靠近秋千的转轴(就是秋千的支点)。这个动作本身会让你和秋千这个整体稍微向前(或者说你正对着的方向)倾斜一点点。这时候,你把自己“缩紧”了,整体质量分布更加集中,对秋千的影响也相对减小。

2. 发力(向上站起,延展重心):当你蹲到最低点,或者快要达到最低点的时候,你要快速地站起来,并且把身体往上伸展。关键在于,当你站起来的时候,你的重心是向上移动的。而且,你要把这个向上的力量,通过你的脚,传递给秋千的踏板。

3. 配合(让身体和秋千形成一个“整体”的摆动):这个过程并不是孤立的。当你重心向下时,秋千相对你的身体有一个向上的运动趋势(虽然幅度很小)。当你重心向上时,你希望推动秋千向下摆动。这听起来有点绕,其实你可以这样理解:

向下蹲(收重心)时:你和秋千组成的整体,重心稍微升高。因为秋千本身有向上的惯性(虽然之前是静止的),这个重心升高会促使秋千稍微往后(相对于你站立的方向)摆动一下。
向上站(展重心)时:你和秋千组成的整体,重心稍微降低。这个重心降低(或者说你向上发力了)会通过你和踏板的连接,把一个向下的推力(相对于你移动的方向)传递给秋千。这个向下的推力,恰好能帮助秋千向前摆动。

更通俗地说,你可以想象成你在“拍打”秋千。当你蹲下,相当于把秋千“拉”近你一点点,然后当你快速站起来,并向上伸展身体时,你是把重心推离了秋千的支点,同时通过你的腿部力量,向下推了踏板。这个向下推踏板的动作,就好像你在用脚给秋千“蹬”了一下,让它获得向前摆动的速度。

你可以试着想象,当你蹲下时,你的身体是向后的(相对于秋千的摆动方向),而当你站起来时,你的身体是向前的,同时你把重心向上抬升。这个重心位置的周期性变化,就像一个被拉伸又缩回的弹簧,在秋千上产生了周期性的力矩,驱动秋千开始摆动。

4. 重复(形成周期性摆动):一旦秋千开始向前摆动一点点,你就抓住了这个时机。当秋千向前摆到最高点,开始向下运动时,你立刻顺势蹲下,再次收缩重心。等秋千摆到最低点,正要向上摆动时,你再快速站起来,伸展身体,同时向下推踏板。这样一来一回,你通过不断地在正确的时间调整自己的重心和发力,不断地给秋千叠加能量,它的摆动幅度就会越来越大。

这整个过程,就像你在玩一个有技巧的游戏。每一次你正确地调整身体姿势,都相当于给秋千“加了一把劲”,而如果时机不对,或者动作做反了,反而会抵消秋千已经获得的动量,让它难以摆动起来。

所以,答案是肯定的,一个人站在静止的秋千上,绝对可以靠自己身体的摆动让秋千荡起来,而且这其中蕴含着一些很有意思的物理原理。你只需要记住,关键在于“时机”和“发力方式”,让你的身体动作与秋千的自然摆动形成一个有效的配合。

网友意见

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可以。

我们先把模型简化,我们假设人在秋千最低点突然站起来,然后在最高点突然蹲下。那么为什么这样可以越荡越高呢?对于理想的单摆来说,摆动的最大高度应该一直不变。但是对于重心高低改变的人,当人以蹲姿从最高点A运动到最低点B,重心下降h1,由于在最低点突然站起来,重心从B变到C,高度上升h,接下来人从C运动到对侧最高点D。由于h的存在,B和D之间的高度差h2一定大于h1,这样就实现了秋千荡起高度的上升。接下来人要在D点马上蹲下来开始下一个蹲下、起立、蹲下的周期。以此往复会越荡越高。

读者可能会问,角动量从哪里来。根据角动量定理,体系的内力不会改变总角动量。而绳子通过参考点所以拉力的力矩为零,唯一可以提供力矩的力是重力。从角动量角度可以这样分析:从A到B转动角度为θ,由于重力做功获得角动量。人在B点站起后质量分布开始靠近参考点,所以重力的产生的力矩大小会减小,但总角动量不变,所以从B到D转过的角度大于θ,接下来人要马上蹲下开始下一个循环,秋千会越荡越高。

正是相邻两次下降过程中的摆角大小不同,进而导致重力产生冲量矩也不同,这才让人在B处角动量越来越大,看起来有种角动量不守恒的错觉。



By Nothing 中科院物理所

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