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世界即时：没人推，没人拉，秋千怎么就越荡越高了？

来源：科普中国

审核专家：罗会仟


(资料图)

中国科学院物理研究所副研究员

说起秋千，想必大家一定不陌生，秋千承载着我们成长的欢乐，总能勾起我们美好的回忆。借助一块木板，两根绳索，就能在空中悠荡。不过，你知道在我们荡秋千的时候，是哪些科学原理让秋千载着我们越荡越高吗？

来源丨hippopx

秋千的起源

秋千运动在中国的历史相当悠久。远古时期，我们的灵长类祖先为了上树采摘野果、逃避或猎杀野兽在攀岩和奔跑中上树或越过鸿沟，出于本能机械地用手臂抓住蔓生植物，依靠藤条的摆动获取高处的食物，这使秋千有了原始的雏形。

米诺斯文明末期的文物，表现人物荡秋千的样子

来源丨维基百科

经过长期的演进和进化，到了人类的文明时代，许多地方都出现了早期的秋千，这一点在很多考古研究中都有所体现，例如希腊的米诺斯文明以及我国春秋时期北方的山戎民族等。荡秋千慢慢成为一种娱乐方式，样式也越来越多。秋千这项运动广泛流传逐渐普及全国，受到广大人民群众的欢迎。

来源丨电影剧照

唐宋时期，人们生活水平逐渐提升，随后秋千运动进而演变成了节日的狂欢项目和娱乐媒介。清明节也被称为“秋千节”，一些传说中认为荡秋千可以驱除百病。

民间的人们也在每个清明时节郊游踏青，并用竹子搭架秋千，就此尽情舞荡和玩耍嬉戏。现如今，秋千在华夏已经有上千年的历史了，它见证了朝代的兴亡更替，也留下了民族的烙印。秋千已经发展成一种艺术的化身，集功能和娱乐为一体，并赋予很多美感，让人赏心悦目的同时也不失其趣味性。

秋千是个物理现象

秋千实际上可以被看作简单的力学系统，它所受的外力有两个：一个是垂直向下的重力；另一个是沿着秋千绳方向的约束力。荡秋千最简单的玩法就是在秋千板上坐着，等着别人来用力推着荡。这时的秋千的运动类似于单摆的运动，但由于空气阻力以及摩擦阻力会阻碍秋千的摆动，因此秋千摆动的幅度会越来越小，直到停止。

如果此时一个人在旁边施加外力不断地推，就会使秋千越荡越高。当秋千荡到最高点时，顺着秋千继续摆动的方向施加一个外力，就能将秋千推得更高；但是如果施加一个与秋千运动方向相反的力，此时外力会阻碍秋千的运动从而使秋千的高度减小。

在我们荡秋千时，向下荡的过程会有短暂的失重感，我们可能会感觉到紧张和恐惧。当秋千越荡越高，快速下荡的时候，人体受到离心力的影响，小腹处感到轻微压迫，会有种想要尿出来的感觉。在荡秋千的过程中不断克服紧张和恐惧，能够增强自我控制能力，有利于身心健康。此外，经常荡秋千的人乘车或坐船也很少发晕。

秋千如何越荡越高？

如何不依靠地面外力让秋千维持摆动和荡得更高，是每个参与秋千运动的人都希望达到的目标。

观察荡秋千时，我们可以发现，那些荡秋千越荡越高的人总有站起或下蹲的动作。这时虽然没有外力推动，但人所做的动作实际上增加了系统能量。因此，当考虑阻力时，只要人体动作转化为机械能的能量大于因克服阻力做功而消耗的能量，则秋千就会越荡越高。

来源丨百度百科

人体和秋千系统的重心可以简化为一个质点，重心位置随着姿势的改变而发生改变，屈膝蹲下时重心偏低，而伸腿站起时重心偏高。秋千在高处，人如果是站立的，系统的重心最高，重力势能最大，动能最小。

在秋千由高处回摆过程中，人开始下蹲，重心位置往下移，整个系统的重力势能也在不断转化为动能，速度也越来越快，直到秋千回到最低点的时候，速度最快，系统的动能达到最大、重力势能最小。如果这个过程人没有下蹲，系统的动能增加幅度不会那么大，反而会因为阻力不断损耗。

来源丨pexels

在秋千由最低处上摆的过程中，人开始迅速站立，使得重心升高，势能增加，动能减少速度变缓，系统总的机械能实际上是增加的，最终秋千也会比上一次荡的更高。这是因为人体消耗自身能量克服重力做了功，所以会感觉到腿脚很用力，时间久了会很疲劳。

如下图所示，将荡秋千过程视为单摆运动，红色区域为前半程，蓝色区域为后半程，通过改变自身状态使得后半程的摆角大于前半程，从而实现了越荡越高，其能量来自于收放腿时所做的功。

荡秋千运动过程简图 来源丨网络

由此看来，荡秋千也是要掌握方法的，在秋千下摆的过程中，屈膝下蹲降低重心，而上摆过程中，蹬腿站立抬高重心，就可以让秋千越荡越高。荡秋千时要双手握绳，随上下摆动而用力，整个过程主要依靠腰部、腿部和臀部力量实现上下摆动。

秋千历史悠久，结构简单却蕴藏着丰富的物理知识。在中华文化中，秋千也寄托着安康、幸福的美好寓意。让我们在学习工作之余，再荡一次秋千，荡走烦恼，荡回欢笑。

关键词： 重力势能 重心位置

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