審核專家：羅會仟

中國科學(xué)院物理研究所副研究員

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(xué)原理讓秋千載著我們越蕩越高嗎？

(資料圖片)

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秋千的起源

秋千運動在中國的歷史相當(dāng)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(jīng)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(rèn)為蕩秋千可以驅(qū)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(jīng)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(jīng)發(fā)展成一種藝術(shù)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(xué)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(dāng)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(dāng)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(jīng)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?jǐn)[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(biāo)。

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(dāng)考慮阻力時，只要人體動作轉(zhuǎn)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。

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人體和秋千系統(tǒng)的重心可以簡化為一個質(zhì)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(zhuǎn)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。

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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(wǎng)絡(luò)

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(jié)構(gòu)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(xué)習(xí)工作之余，再蕩一次秋千，蕩走煩惱，蕩回歡笑。

標(biāo)簽： 重力勢能 重心位置