科学汇 | 怎样划龙舟才不会侧翻?考验你物理知识的时候到了

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钱江晚报·小时新闻记者 陈素萍

“咚咚咚”的锣鼓声应接不暇,水上数艘龙舟快速前行,队员们挥旗击鼓、木浆齐划,两岸喝彩叫好之声不绝……农历五月端午赛龙舟,二月二龙抬头也要赛龙舟,节日庆典大都可以见到龙舟竞渡的场景。

划龙舟为什么容易翻船?怎样才能划得更快?背后的这些物理知识,本期科学汇邀请了浙江工业大学理学院物理系副主任、吕斌博士,来为同学们答疑解惑。

东西稳不稳,主要有这几个要素

“鼓声三下红旗开,两龙跃出浮水来。”刚刚过去的端午节,杭州的同学们不知道有没有去西溪观看龙舟赛。同时,大家有没有注意过,每年各地的龙舟赛现场,偶尔还会发生翻船的事情。

为什么龙舟,以及和龙舟形状类似的独木舟、皮划艇这种形状狭长的船,相比于其他的船而言,它们的侧翻经常出现的?

其实,不管是龙舟还是独木舟,它们总是侧翻的原因主要只有一个:心不稳。

决定一个东西稳不稳的要素,大概有以下几个:

第一是受力方向的支撑面。在大多数情况下,我们的所受的力都是重力,因此受力方向都是朝向地心的,因此我们在地面上支持面的大小决定了我们的稳定程度。举个例子来说,轮滑的初学者都会觉得穿着轮滑鞋站立困难,这是因为鞋底的滑轮缩小了地面对人的支撑面积。

第二是重心的高度。如下图所示,同样支撑面积的物体A和B,由于A的重心高,在外力的干扰下,重心只需要转动更小的角度β就可以偏离支撑点。所以降低重心可以提高稳定度。

第三是重力在支撑面方向的投影要包含在支撑面里面,重心投影位置越中心,物体越稳。比如以为腿脚受伤的人单脚站立非常容易摔倒,但当拄了拐杖后,就好多了,这是因为拐杖增加了支撑点,使得重力的投影更容易落在脚和拐杖支点组成的支撑面内,因而更稳定。

还有一个要素,则物体的质量。质量越大的物体抗外界干扰的能力越强,因而也就越稳定。

当然,像龙舟这种浮在水面上的物体,一方面要考虑它的稳定性,另一方面还要考虑它的浮心、漂心、稳心等。

但需要说明的是,对于龙舟这种船,它的样子可以说是大同小异的,因此浮心、漂心、稳心的区别不是很大,因而可以暂时不予考虑。

两个时间点,龙舟容易侧翻

说了很多,我们再来探讨,龙舟为啥容易侧翻?知道物体稳定需要的这些要素之后,我们就可以分析这个问题了。

首先,龙舟一般都是很狭长的,这就直接决定了它在水上的支撑面积比较小。龙舟上一般会有十几名的船员来划船,这些船员的体重不可能一模一样,质量的分布不均匀,会导致重心偏离。因此,合理的分配船员的位置,使总体的重心落到龙舟支撑面的中心位置就很重要。

其次,由于龙舟和水接触的支撑面比较小,在龙舟运动时,遇到不稳定的水流,或者比较大的波浪,很容易会让重力的投影落到支撑面以外,这时侧翻就是不可避免的了。

从以上分析我们可以分析得出,龙舟容易侧翻的地方有两个:一个就是刚开始船员上船的时候,站立入船的运动员重心较高,这时候如果不注意整体的重心分布,很容易导致侧翻;另一个就是龙舟运动时碰到波浪的地方,导致整体的重心投影到了支撑面以外,这个时候如果没有高超的技巧去控制龙舟,龙舟也会很容易倾覆。

除了龙舟,对于独木舟、皮划艇来说,情况也是类似的。不过,相比于龙舟,独木舟、皮划艇一般都是由一到两个人来操作,重心重新分配这个问题一般可以不用考虑。但同时,独木舟、皮划艇的支撑面以及质量,和龙舟相比都小了不少,因此独木舟、皮划艇相对来说并没有更稳定,反而在遭遇波浪时更容易倾覆。

通过以上分析,同学们应该知道了,龙舟这种窄小的船体是很容易发生侧翻的,因此大家在乘坐或者划龙舟时一定要穿救生衣,听从专业人士的统一安排。

尝试这么做,龙舟跑得更快

我们知道,龙舟前进的唯一推进力就是用桨划水,水对桨的反作用力推动了龙舟的前进。

根据动量定理,龙舟的速度v和推进力F之间存在Ft=mv的关系,其中t是推进力作用的时间,m是龙舟和人的总质量。

为了提高船速,除了给龙舟自身减重,似乎还可以通过让桨手们减肥来降低总质量,但毕竟“想让桨手划得好,还要桨手更苗条”的做法不太现实。实际上,要想让龙舟尽快到达目的地,最直观的做法就是增大推进力。为此,可以增大桨叶以增加桨和水之间的接触面积,并增加划桨时的吃水深度。

然而,事实却绝非仅仅增大推进力这么简单。细心的同学一定注意到,近年来,尽管火车和飞机都实现了大幅提速,但却很少听说船舶提速的事儿。这是因为物体周围物质的密度越大,物体的运动阻力也就越大。火车和飞机都是在空气中运行,而船却是在密度为空气800倍的水中运行,速度低就不足为奇了。

科学家们将船体所受的阻力分为摩擦阻力、兴波阻力和漩涡阻力等,对于龙舟而言,最大的阻力是摩擦阻力,船体浸没在水里的面积越大、速度越快,摩擦阻力就越大。为了降低阻力,我们试着将龙舟的船体设计成光滑的流线型,并选用摩擦系数小的表面材料。

那么,除了在船上想办法,划桨技巧又该怎么做呢?

赛龙舟中,桨手们的动作总是整齐划一,称为同步法,但这种司空见惯的划桨方法真的最合理吗?要知道,当桨手们集体向前回桨时,龙舟就会因失去动力而减速,这种速度波动会造成能量的消耗。

科学家们通过理论估算发现,如果每个桨手各自错开划桨,称为异步法,使船始终保持匀速前进。科学家在划桨训练机上对两种划桨方式做了对比实验,结果发现尽管异步法每分钟的划桨频次比同步法略低,但桨手们的输出功率却基本相当。也就是说当桨手们输出相同的能量时,采用异步法可以使船获得更多能量,因而能有效提高平均速度,缩短竞赛时间。

上述两种划桨的方法类似跳和走。跳时,两只脚同步;走时,两只脚配合依次向前。同学们也能感觉到平时走路比跳跃更加稳定。

不过,异步法也有硬伤。在提高龙舟平均速度的同时,它对桨手们的技巧和配合也提出了很高要求,而且由于龙舟重心高、桨手间距离小,一着不慎就很容易导致前后桨碰撞。

或许,换个划桨方式,在清一色动作整齐一致的划桨人中,唯独你和同伴们动作错落有致,还能一马当先,何等的酷炫!当然,前提是要掌握好技巧,不要碰撞翻船哦。

考考你:

神奇的重心

上图是由小木板(乒乓球拍)和榔头为主组成的物体。用绳子将他们如图所示绑在一起,并放在桌子边沿处。可以看到球拍只是有一小块搭在桌子上。球拍和榔头大部分是落在桌子外的,而且为了夸张的效果,在球拍离桌子最远端还放了一个糖罐子。那为什么球拍和榔头不会从桌子上掉下来?

答案:

先忽略糖罐子的重力,只考虑球拍和榔头。球拍质量大致均匀分布,重心基本在拍面上,榔头的质量主要在铁块上,所以重心在铁块端。由于榔头铁块的质量远大于球拍质量,所以总重心会更加靠近榔头铁块。如下图所示,当总重心在桌子的边沿内时,球拍和榔头组成的物体就不会掉下来。

加一个质量很小的糖罐子基本不改变总重心的位置,但是起到了视觉上的夸张效果,即物体的大部分体积都落在桌子外,但物体却不会掉下来,就是因为重量其实集中在桌子内。


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135****2361
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兔子
兔子

球拍和榔头的实验没看懂

139****5837
139****5837

我不会计算

高小毕业
高小毕业

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