弹簧打乒乓球原理

1 人凭弹跳力能使自己跳起来吗?答案是:能。

2 不借助外力,人凭弹跳力能使自己跳起来吗?答案是:不能。

两个答案都是对的。前者是生活语言、日常语言。常常会省略一些默认的、众所周知的、隐含的前提条件。第一句之所以成立,因为大家默认人都是站在地面上的,是肯定会受到重力和支反力作用的,这是不需要额外说明的。

后者是研讨语言,分析语言、理论语言。需要精准、严密、天衣无缝。当我们需要分析人体受力原理、讨论弹跳力的来龙去脉时,就必须把那些隐含前提一一明示。 既然不借助外力,肯定连地面都没有,你的弹跳力是蹬什么东西的得到的呢?不借助外力,人是肯定跳不起来的吧?

把人体比作弹簧(图1)是一种重要的抽象方法,就像把人体比作长鞭一样。只是取其相类似的一面,忽略不同的一面。

弹簧原理与打乒乓球

3 弹簧是靠自己的弹力跳起来的。这句日常语言是成立的。可是有些球友偏偏忘了其中隐含的重要前提条件:需要外部物体支撑,需要外力。

4 不借助外力,弹簧能靠自己的弹力跳起来的吗?不能。实际上,一般弹簧的工作条件是:一端被外力固定,另一端才能表现出有目的、有意义的对外弹力,完成正常工作。

假设一个弹簧悬浮在空中,不受任何外力(包括重力),它就没有形变,内在弹力表现不出来,也没有任何实际意义。就是说,外力为零,则弹力为零

假设你用手指轻碰一下悬浮在空中的弹簧(手指推力),或者把一根弹簧向上抛起(重力),它都只受到一个外力,同样没有形变,表现不出内在的弹力,没有实际意义。就是说,一个外力,则弹力为零

只有弹簧两端同时都和外界物体作用,两端受到两个方向相反的外力(拉伸、压缩、扭转等等)或外力矩,才能表现出有意义的弹力,进行正常的工作。世界上亿万个弹簧都是如此,没有一个工作弹簧例外。

在弹性范围内,弹簧弹力F和形变量x成正比,这是胡克定律,F= k x。它也是有隐含条件的:忽略弹簧自身的质量,即弹簧自身没有重量。物理教材中常说的“轻弹簧”就是如此,其弹力处处相等。“形变量”三个字意味着弹簧两端是受到两个外力的。

弹簧原理要系统说起来篇幅较大,先取一个典型静态场景分析一下。如图2左图,1公斤圆球置轻弹簧顶部达到平衡(图2)。弹簧两端与外界会产生个力球对弹簧压力F2传导至下端(滑移矢量,力的可传性),产生弹簧对地面压力F4,同时引发地面支反力F3,上传到顶端产生弹簧对球的弹力F1。四个力都是从球的重力这个外力F0派生出来的,均为10牛顿。其中力12、34分别是两对相互作用力,不能互相抵消。弹簧两端所受外力23作用在一条直线上,是一对平衡力,互相抵消,合力为零,弹簧静止。轻簧对外表现是: 向上的弹力F1和向下的压地力F4。

弹簧原理与打乒乓球

那么,弹力F1从何而来?当然来自弹簧固有的内在弹性。但是,单独放一个弹簧在地面上(图3),它的弹力却等于零!此时的弹簧没有弹性吗?有弹性却表现不出弹力,这是为什么?因为此时弹簧两端缺少两个方向相反的外力。如此看来,弹簧弹力F1直接来自地面支反力F3,其大小完全由外力F0所控制、所决定。情况已经很清楚了,不管弹簧的内在弹性有多强,只要你放多重的(外界)物体在弹簧上端,它就只能表现出多大的弹力(在弹性范围内)。换言之,弹簧对外弹力的大小是由外力决定的,是直接由地面支反力传导而来的。

弹簧原理与打乒乓球

人体发力和这个道理相似。大力士站在冰面上拔河会输给站在地面上的普通人,不是因为他的内力不够大,而是因为他无法从冰面获得足够大的外力摩擦力。外力决定胜负,而不是内力。和木桶原理相似,短板决定储水量的多少。

这和乒乓球击球力来源也十分相似,击球力直接来自地面支反力和重力这两个外力。当然,人体比弹簧更复杂,可以自身发力(内力),自身还有重量,体内力的传导线路没有如此简单清晰,体内力的传导需要时间并有个传导效率问题,但最终结论是一样的。归根结底,其运动规律都是受牛顿第一定律支配的: 任何物体(包括人体)运动状态的改变只能由外力所直接决定

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