用中學物理知識淺析悠悠球基本運動原理

王冠森

【摘要】悠悠球運動中的最基本的動作拋球、收球，體現了最基本且有趣的物理知識。玩悠悠球既有創造性又加強分析能力，與學習物理有很大的聯系。很多同學學不好物理，如果能把物理和平時的游戲結合起來，您保證既學的好又玩的好！

【關鍵詞】悠悠球；基本運動原理；物理知識

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）28-0068-02

我最喜歡的運動就是悠悠球。悠悠球是一種古老的玩具，具有悠久的文化歷史。史書上關于悠悠球的最早記錄是公園500年前的希臘。無論是從早期的狩獵動物和個洞的工具的功能，還是有貴族轉悠玩具發展到表演甚至大眾流行，它都反映了歷史的發展，凝結了人們智慧的結晶。

我喜歡悠悠球的原因，不光是悠悠球的玩法及招式具有趣味性和創造性，還因為在玩耍的過程中，我發現了悠悠球的很多招式與物理有很大的關系。舉個最簡單的例子吧，接觸或觀看過悠悠球表演的人，都知道最入門的初級動作就是把球拋出去再收回來。這個看似簡單的動作就包含了很多物理知識。下面我對此做簡要的分析。

第一個問題，球被投擲出去后，為什么能夠收回來？

這一現象涉及到摩擦力、離心力的應用。

初學者用的球是離合器型球，這種球的收球則是內部的彈簧在起作用。球旋轉的時候，球體內部軸承兩邊的連有重物的彈簧被甩開，帶動橡膠圈也向外微妙的移動，這就是離心力的作用，于是棉線與球體沒有任何摩擦，而當速度減慢的時候，離心力變小，彈簧及重物逐漸恢復回原來的位置，夾住中軸，球就被收回了。

鼓型球是這樣的：球投擲出去后，會垂在線的另一端做高速的旋轉，由于球本身具有的重力，這時候球拉著的線是繃直的，因此線與球體之間沒有任何摩擦，如果不去施加外力，球會停在空中旋轉很長時間不會自己收回來。那么想把球收回來，要做的動作就是把手向上提，這時候，原本繃直的棉線就被向上拉，線會產生很多小彎曲，與球體之間接觸摩擦，球就被提了上來。

第二個問題，球被投擲出去后，為什么會高速的旋轉？

首先您要知道悠悠球的特殊構造是保證球能轉起來的基礎原因。悠悠球的中軸和兩邊的球瓣不是一體的，軸和球瓣之間有一圈小滾珠，因此軸和球瓣可以分別運動。除了4A球，其它悠悠球在玩的時候都是球軸和繩套在一起的。發球之前，繩的一端在球軸上套好，另一端套在中指上。把繩子從球軸的一端一圈一圈的纏繞好，一直纏到中指。發球時，要用適當的力把球甩出去，這時候，繩子在球的牽引之下展開了，繩的另一端被中指牽著，于是球軸被牽住不轉，而球瓣自己轉動起來。也就是說，如果球軸與球瓣連接的地方出了問題，球就無法自轉了。

下面我從動作原理方面來解釋，這是我們高中學過的功與能的轉換，以及動能、勢能之間轉化的問題。

物體都具有勢能，同一物體位置越高，勢能越大。當球在我們手中被舉高的時候，它是存在重力勢能的，人體中有化學能，用一定的力量投擲的時候，化學能和重力勢能轉化為動能。由于繩子有一定的粗細，所以繩子對球拉力的作用點不在球的質心上，使球產生一個角速度，球即進入了高速自轉狀態，這種狀態稱為“睡眠”。關于這個問題還有更有趣的事情，早在1985年，悠悠球第一次被帶到太空做實驗，被發現在太空，如果手不用力向下仍，球即無法旋轉又無法收回，因為沒有引力。因此在地球上也一樣，悠悠球的轉動主要來自投擲的力量，只有少部分是靠重力勢能轉化而來，這也證明了我們投擲的力度大小和球的空轉速度及時間長短都是有關系的。

第三個問題，如何讓悠悠球保持更長時間的空轉？

廣告中的悠悠球介紹，都說球的空轉時間可以達到十分鐘甚至更長，但是初學者通常只能讓球保持一分鐘的空轉，很多人都以為這是因為用力過小，也有人認為這是商家在胡說八道，實際上，主要原因是悠悠球的球繩是由一根繩子疊合后，兩股繩交錯擰在一起形成的，在空轉時無法保證球繩的兩股繩卷緊的程度恰到好處，這時球繩就會有自發卷緊或卷松的趨勢。由于繩子是一個繩圈套在球上的，繩子會對球產生兩個水平方向的力，這兩個力等大反向，但不作用在一條直線上，使悠悠球產生類似陀螺進動的運動，使球歪斜，為了使球保證長時間的空轉，應該用手抓住球上方的一小段繩子，根據球的歪斜方向，調整繩子的松緊程度，保證球在一個豎直的狀態，這樣就能長時間空轉，甚至在使球僅靠重力下落的時候，空轉達到3分鐘以上。

其實悠悠球還蘊含了更多復雜的物理原理，比如說，它利用視覺暫留效果提高了觀賞性；在5A玩法中，人們要利用圓周運動的向心力平衡；在一些難度較高的招式中，需要利用繩子本身的張力來完成繩圈的單獨運動；或者利用繩子之間的摩擦力故意讓繩子卡在球軸上。在悠悠球的設計方面，人們會為了提升悠悠球的空轉和穩定性，改變球的質量分布，也會在球上設計一些凸起或凹陷，使球可以被頂在指尖保持穩定，使球與手指的接觸位置保持在一定范圍內，這樣就可以完成一種非常神奇的玩法--頂指。這在球的設計上就需要應用很多復雜的物理原理。

悠悠球的發展現在越來越好，2018年將在中國舉行世界悠悠球大賽，日本正在為悠悠球申奧，我們應該與時俱進，多了解悠悠球的有關知識！