跳高運動中的物理學原理簡析

摘要：背越式跳高可以分為助跑階段、起跳階段、騰空階段和落地階段，每個階段都包含著物理學原理。本文通過分析跳高運動中四個階段的動作，從物理學原理角度對跳高動作進行了解釋，從科學的角度解讀動作，給出了提高跳高成績的建議，有助于加深運動員對動作的理解，提高跳高成績。

關鍵詞：背越式 能量守恒 受力分析

跳高是田徑運動的田賽項目之一。是一種由有節奏的助跑、單腳起跳、越過橫桿落地等動作組成，以越過橫桿上緣的高度來計算成績的比賽項目。跳高是運動征服高度的運動項目，是人類不屈不撓，勇攀高峰的象征[1]。也有人稱跳高是一項失敗者的運動。因為每次比賽，運動員在跳過一個高度以后，還要向新的高度挑戰，直到最后跳不過去為止。

最常見的跳高姿勢是背越式跳高。背越式跳高的過程可以分為四個部分：助跑階段、起跳階段、騰空階段和落地階段。跳高這項運動包含著很多物理學知識。從原理上分析跳高中的動作，會讓運動員的訓練更加符合科學規律，有助于提高跳高成績。本文將對背越式跳高中的動作從物理角度進行分析，加深跳高運動員對跳高動作的理解。

如圖所示，是背越式跳高動作示意圖。我們將跳高過程中三個高度分別用H1、H2和H3表示，H1表示運動員起跳時重心距離地面的高度，H2表示運動員重心到達最高點時重心相對于H1升高的高度，H3表示運動員重心達到最高點時重心高于桿的高度。從圖中可以看出，提高跳高成績重點是增加H1和H2，減小H3。影響H1 的因素是運動員起跳時重心的位置和身體的姿態，還有起跳時身體的舒展程度。影響H2的因素是運動員本身的身體素質和跳高技巧水平。影響H3的因素是運動員在越過桿時的身體的姿態和起跳時身體與地面的角度。

下面分別從跳高運動中助跑階段、起跳階段、騰空階段和落地階段這四個階段出發分析每個階段中包含的物理學原理，并針對分析給出提高跳高成績的建議。

在助跑階段，一個良好的加速毫無疑問可以提高運動員的成績。在這個階段運動員由靜止做加速運動。在助跑過程中，運動員的加速度來自地面給運動員在水平方向上的摩擦力。隨著運動員速度的增加，遠動員的動能不斷增加，為下一階段的起跳做好準備。

在起跳階段，運動員腿部彎曲然后進行蹬伸動作，利用地面給運動員的壓力和運動員所受重力的力差，在豎直方向上做加速運動，獲得豎直方向上的初速度。在這個過程中，水平方向能量損失越小，豎直方向獲得的能量越大，越能提高運動員的跳高成績。運動員在起跳時，可以看作是一個速度為v0且與水平方向夾角為a的拋體運動[2]。運動員在豎直方向上的速度為v0sina，由動能定理可以知道，運動員可以升高的最大高度為：

h即為上文中的H2。通過表達式可以看出，H2的大小與兩個因素有關，起跳的初速度v0和與地面的水平夾角a。起跳的初速度由助跑階段的水平速度和起跳過程中豎直方向的速度決定。起跳后，豎直方向的速度越大，重心升高的高度就越大。在背越式跳高中，一個合適的起跳角度可以提高跳高成績。當角度偏大時，會使運動員在豎直方向上的速度增大，而水平方向上的速度減小，這樣雖然運動員可以跳的更高但是不能跳的更遠；當角度偏小時，水平方向上的速度增大，而豎直方向上的速度減小，這樣雖然運動員可以跳的更遠但是不能跳的更高。查閱資料我們知道，夾角的合適范圍為50°-55°。

為了能夠提高成績，運動員在起跳時應該降低重心高度，這是因為重心降低的越多，則運動員在豎直方向上受來自地面的壓力的大小越大，時間越長，越能增加起跳時運動員的初速度。一個良好的起跳動作完成后，就可以獲得一個較大的初速度和一個合適的起跳角度，從而為下一步的騰空動作打下基礎。

在騰空階段，運動員的姿態尤為重要。在起跳階段獲得的初速度和角度在騰空后是無法改變的，此時只有通過改變身體的姿態來調整重心的高度。騰空階段運動員的身體逐漸收縮，在最高點完成收腹動作。騰空階段考驗運動員身體的平衡能力和協調能力。通過在合適的時機適當的降低手臂和腿的高度，可以提高重心的高度。當身體的重心即將越過桿時，應該通過降低手臂和腿的高度來提高重心的高度；當重心越過桿后，應該主動降低身體重心的高度來保證手和腿能夠順利越過桿。為了保證騰空過程中有一定的高度，運動員在蹬地之后雙腿要迅速并攏，在經過最高點之后兩腿盡量高抬，這樣就可以減少觸桿的概率。

在落地階段，假設運動員與地面的水夾角為Y，速度為v。在整個撞擊過程中，滿足能量守恒定理[3]，人體的動能逐漸減小，重力勢能逐漸減小，一部分轉化為墊子和人體組成的系統的彈性勢能，一部分由于摩擦產生熱量。由牛頓第二定律分析，運動員受到的摩擦力為f，墊子給運動員的支持力為FN，自身的重力為G。通過受力分析可知，摩擦力f的大小為墊子給運動員的支持力FN在水平方向的分力，大小為：

由表達式可以看出，運動員在下落過程中應該讓身體與護墊成一定的角度來防止受傷。

從以上可以看出，跳高運動中的各個動作都包含了物理學原理，發現并且掌握好這些原理，運動員就能科學的進行訓練，增強自身實力，提高運動水平，能夠提高運動員的成績。

參考文獻：

[1]胡鴻飛.論優秀跳高選手的選材方法[J].體育與科學，1993，（02）.

[2]張朝可.拋體運動的討論[J].技術物理教學，2007，（01）：19-20.

[3]王洪軍，耿立唐，林素春.高考考點總攻略， 物理， 動量和動量守恒，能量和能量守恒定律[M]. 科學技術文獻出版社，2004.

（作者簡介：高辰越，學校：保定市第一中學。）