對(duì)于武術(shù)中物理原理的探究

（廣州市西關(guān)外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，廣東廣州 510175）

0.引言

武術(shù)脫胎于原始社會(huì)的自然格斗技巧，在實(shí)踐中通常用于制敵自衛(wèi)，也可強(qiáng)身健體。近年來(lái)，在一系列知名動(dòng)作電影的宣傳與帶動(dòng)下，武術(shù)更是走出國(guó)門(mén)走向世界，為全世界人民所喜愛(ài)。武術(shù)根據(jù)各自技巧(套路)的不同可以分為諸多流派，如：詠春、洪拳、形意拳、太極和長(zhǎng)拳等，不同流派武術(shù)“克敵”的方式與效果各異，從物理學(xué)角度來(lái)講，可以抽象為力的作用效果不同。對(duì)武術(shù)的科學(xué)研究已見(jiàn)一些文獻(xiàn)報(bào)道，李振興對(duì)散打運(yùn)動(dòng)中摔法的力學(xué)原理進(jìn)行了分析[1]，借助力矩這一物理工具研究了不同摔法技巧對(duì)散打效果的影響機(jī)理，為完善散打摔法技巧提供了科學(xué)指導(dǎo)。賈永安對(duì)八卦掌技擊技巧中所涉及的物理學(xué)基本原理進(jìn)行了研究[2]，指出八卦掌中的整力過(guò)程本質(zhì)上為多個(gè)力的合成。李佳叢,肖文霞等從生物力學(xué)的角度對(duì)武術(shù)運(yùn)動(dòng)的科學(xué)化研究進(jìn)展做了綜述[3]，從定量和定性兩個(gè)維度對(duì)競(jìng)技武術(shù)中的技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)分析，為武術(shù)運(yùn)動(dòng)的科學(xué)化研究提供了思路。高匯源通過(guò)力偶原理、杠桿原理等力學(xué)原理揭示了武術(shù)運(yùn)動(dòng)中力量的來(lái)源[4]，指出肌群收縮及其方向能夠有效轉(zhuǎn)化為武術(shù)力量的物理途徑，對(duì)于科學(xué)提升武術(shù)運(yùn)動(dòng)水平具有一定的指導(dǎo)意義。董赫男從物理力學(xué)的平衡原理、發(fā)力原理以及動(dòng)量定理出發(fā)[5]，詳細(xì)剖析了生物力學(xué)原理在武術(shù)技巧中的應(yīng)用，明確了力學(xué)原理與武術(shù)實(shí)踐之間的重要聯(lián)系，其結(jié)論可進(jìn)行實(shí)踐化推廣應(yīng)用。劉文霞以武術(shù)運(yùn)動(dòng)為背景[6]，探討了武術(shù)運(yùn)動(dòng)中所蘊(yùn)含的基本力學(xué)原理，從而賦予了武術(shù)這一優(yōu)秀傳統(tǒng)文化獨(dú)特的科技魅力，使讀者將理論與武術(shù)實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，通過(guò)理論指導(dǎo)實(shí)踐，在實(shí)踐中探索和提升理論。

本文借助物理力學(xué)相關(guān)概念，通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合對(duì)武術(shù)中常見(jiàn)動(dòng)作：攤手、膀手、寸勁的形成機(jī)理進(jìn)行了科學(xué)剖析，從而為以武術(shù)重要組成部分的中國(guó)傳統(tǒng)文化的傳承與傳播盡自己的一份綿薄之力。

1.不同武術(shù)動(dòng)作效果的形成機(jī)理

武術(shù)的動(dòng)作效果作為武術(shù)運(yùn)動(dòng)最直觀的展示往往受到諸多因素(變量)的影響，以下分別就常見(jiàn)的武術(shù)動(dòng)作：攤手、膀手、寸勁動(dòng)作要領(lǐng)中所蘊(yùn)藏的物理機(jī)理進(jìn)行科學(xué)分析：

1.1 攤手

攤手是武術(shù)中的常見(jiàn)動(dòng)作，具體是指：手心向上，向外旋轉(zhuǎn)，保持手肘部距離有中線一拳的距離，沿著對(duì)手前方小臂的表面旋轉(zhuǎn)。攤手作為詠春中著名招式之一，其動(dòng)作優(yōu)勢(shì)在于順應(yīng)對(duì)手攻擊而出招，使用頻率非常高，殺傷力也可見(jiàn)一斑。攤手作用效果的形成機(jī)理本質(zhì)上可借助力學(xué)中動(dòng)量與沖量概念進(jìn)行解釋與分析。由于攤手沿著對(duì)手前方小臂表面旋轉(zhuǎn)而出，因此對(duì)方?jīng)_拳時(shí)作用時(shí)間較短，假設(shè)對(duì)方?jīng)_拳時(shí)的力為恒力F，則由沖量定義：

由式(1)可知，力(拳)作用的時(shí)間越短，沖量越小。由于沖拳時(shí)初速度為零，因此沖拳時(shí)初動(dòng)量為零，動(dòng)量改變量越小，故而末動(dòng)量越小，作用在物體上的效果越微弱。設(shè)攤手方為A，沖拳方為B，如果將雙方的手看作剛體，此時(shí)B手除了具有一開(kāi)始的初速度以及身體內(nèi)部肌肉舒張使拳頭向前運(yùn)動(dòng)的力以外，則在A、B兩手接觸瞬間，A手會(huì)給予B手一個(gè)向外的作用力，那么A手給予的這個(gè)力在一定程度上會(huì)改變B手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使B手向外偏離。雙發(fā)接觸瞬間考慮到A與B組成的系統(tǒng)不受外力矩的作用，根據(jù)角動(dòng)量守恒定律：B手角動(dòng)量將有一部分轉(zhuǎn)移至A，這個(gè)角動(dòng)量最終通過(guò)攤手方A的后續(xù)動(dòng)作所耗散。

1.2 膀手

榜手的動(dòng)作要領(lǐng)具體為：肘部發(fā)力，略微向上呈拱形，同時(shí)以指尖帶動(dòng)小臂旋轉(zhuǎn)，要求手肘要比手腕略高。這一點(diǎn)可用力的合成運(yùn)算—平行四邊形法則進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 膀手作用力的圖示

如圖1所示：如果手肘比手腕略高，前臂與水平方向存在一定夾角，對(duì)方?jīng)_拳過(guò)來(lái)，不可避免地會(huì)給予榜手練習(xí)者一個(gè)豎直向下的壓力，根據(jù)平行四邊形定則，這個(gè)壓力F可以被分解為水平方向手的力Fx，以及豎直方向的力Fy，達(dá)到卸力效果的是Fx，由圖1可知，F(xiàn)x=F×sinα，故而當(dāng)α=0時(shí)Fx有最小值。

1.3 寸勁

寸勁是指在近距離攻擊對(duì)手，動(dòng)作完成時(shí)瞬間突然加速收縮肌肉而發(fā)出短促、剛脆的爆發(fā)力量，具有較大的“殺傷力”，寸勁與對(duì)方身體的接觸實(shí)質(zhì)上可抽象為物理非彈性碰撞的過(guò)程。

設(shè)施力者拳頭的質(zhì)量為m1,擊打到對(duì)方前的瞬時(shí)速度為v10,擊打到對(duì)方后瞬時(shí)速度變?yōu)関1；設(shè)對(duì)方質(zhì)量為m2，被擊打前一刻具有瞬時(shí)速度為v20，被擊打后瞬時(shí)速度變?yōu)関2。以v10的方向?yàn)檎较颍瑒t根據(jù)動(dòng)量守恒定律可知：

我才剛剛蹲下去，他就要我出去，衛(wèi)生間的門(mén)被他踢得亂抖起來(lái)，我只好提起褲子，系好皮帶，打開(kāi)衛(wèi)生間的門(mén)，林孟看到是我，一下子愣住了，我說(shuō)：“林孟，我還沒(méi)完呢，你把門(mén)踢得這么響，屎剛要出來(lái)，被你這么一踢，又回去了。”

考慮非彈性碰撞，引入恢復(fù)系數(shù)e，用于描述被研究對(duì)象的材質(zhì)關(guān)系，根據(jù)e的定義有：

聯(lián)立可得：

此時(shí)，由公式(1)可以估算得出拳和身體碰撞時(shí)的平均相互作用力為：

由式(6)可知，在質(zhì)量一定的情況下，當(dāng)Δt越小或速度的變化量越大時(shí)，相互作用力越大。

2.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為對(duì)所研究的武術(shù)動(dòng)作：攤手、膀手、寸勁的實(shí)際作用效果進(jìn)行驗(yàn)證。本文通過(guò)等效替代法采用橡皮泥作為受力物體，通過(guò)觀察橡皮泥受力時(shí)所發(fā)生形變的大小反映力的作用效果。

2.1 實(shí)驗(yàn)器材與步驟

為反映力的作用效果，本文采用橡皮泥作為受力物體，以刻度尺測(cè)量橡皮泥形變程度，墻靶作為緩沖以保護(hù)手部。實(shí)驗(yàn)器材如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)器材選擇

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）將橡皮泥捏成長(zhǎng)方塊，背面沾水，貼在墻靶上。

（3）在橡皮泥上用刻度尺標(biāo)記出將要擊打的預(yù)定位置（P點(diǎn)），方便后期測(cè)量偏移距離。

（4）實(shí)驗(yàn)者A站在墻靶側(cè)前方，背對(duì)墻靶；實(shí)驗(yàn)者B面向墻靶出直拳，同時(shí)A出攤手。記錄B落拳位置與P點(diǎn)的水平偏移距離及橡皮泥的形變程度。重復(fù)上述過(guò)程5次。

（5）實(shí)驗(yàn)者A站在墻靶側(cè)前方，背對(duì)墻靶；實(shí)驗(yàn)者B面向墻靶打出直拳，同時(shí)A以膀手應(yīng)對(duì)。剩下步驟與第4步后續(xù)相同。

（6）改變膀手角度，重復(fù)步驟5多次。

（7）減小實(shí)驗(yàn)者與墻靶之間的距離，出拳多次，分別記錄橡皮泥的凹陷程度，取平均值。

（8）使用寸勁的技巧，利用腰胯的力量再次進(jìn)行對(duì)墻靶的多次打擊，并分別將橡皮泥的形變程度依次記錄，取平均值。

（9）整理器材，分析數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及分析

在表1數(shù)據(jù)中，編號(hào)從1.1到1.5的數(shù)據(jù)代表了直拳對(duì)橡皮泥作用效果的影響；而2.1到2.5則是直拳被攤手干擾后對(duì)橡皮泥的影響；3.1到3.5則是表示了直拳受到膀手干擾后的對(duì)橡皮泥的影響；4.1到4.5則是表示寸勁對(duì)橡皮泥的影響。而“偏轉(zhuǎn)”則表示實(shí)際落拳位置與原來(lái)落拳位置在水平方向的差值。通過(guò)分析以上數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

表1 橡皮泥形變(凹陷+偏移)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

（1）攤手，膀手等武術(shù)中常見(jiàn)的動(dòng)作在卸力方面效果十分明顯，可以有效減少對(duì)方力量對(duì)自己的傷害。

（2）寸勁沖拳時(shí)加上轉(zhuǎn)腰力量更大，能夠達(dá)到更好的殺傷效果。

3.結(jié)論

武術(shù)作為一種傳承千年的格斗技巧，其中所蘊(yùn)藏的奧妙耐人尋味。本文結(jié)合受力分析、動(dòng)量、沖量等物理學(xué)工具，對(duì)武術(shù)中常見(jiàn)的攤手、膀手、寸拳等技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行了科學(xué)化分析研究，并以等效替代的方法通過(guò)將橡皮泥作為受力物體對(duì)這三種技術(shù)動(dòng)作的實(shí)際力學(xué)效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，結(jié)果表明：武術(shù)的動(dòng)作并非缺乏科學(xué)依據(jù)的無(wú)稽之談，而是不論從理論還是實(shí)踐都有著深刻的物理學(xué)原理，其中攤手和膀手通過(guò)力的分解使其在卸力方面效果十分明顯，可以有效減少對(duì)方力量對(duì)自己的傷害，而通過(guò)將寸勁沖拳簡(jiǎn)化為碰撞模型可對(duì)其作用效果做出科學(xué)解釋，實(shí)驗(yàn)顯示寸勁沖拳時(shí)加上轉(zhuǎn)腰力量更大，能夠達(dá)到更好的殺傷效果。