(5th)高.67.跑步时摩擦力是助跑还是阻跑

跑步时摩擦力是助跑，还是阻跑？

摘要：在关于摩擦力的认识中，很多人认为摩擦力始终阻碍运动，是阻力。本文以常见的生活实例——跑步为研究对象，通过物理模型的建立，借助相关物理知识，分析总结摩擦力在跑步过程中究竟是阻跑，还是助跑。研究表明：在跑步过程中，加速时，摩擦力是动力，起到助跑的作用。在减速时，摩擦力是阻力，有利于减速，起到阻跑的作用。

关键词：跑步；摩擦力；动力；阻力

两个相互接触的物体，当它们发生相对运动或具有相对运动的趋势时，就会在接触面上产生阻碍这种相对运动或相对运动趋势的力，这种力叫做摩擦力。[1]在定义中，明确指出摩擦力是阻碍相对运动或相对运动趋势的力。跑步是常见的运动形式，那么在跑步过程中，摩擦力到底是起到阻碍运动的作用，还是促进人体运动的作用呢？下面我们将以跑步过程为研究对象，分析摩擦力的作用效果。

一、跑步过程中的基本力学分析

人体在跑动过程中既有内力也有外力，而推动人体质心移动的直接动力一定是外力。[2] 所谓外力，这里指作用于人体，而施力物体是人体以外的物体的力。质点系的质心运动定律告诉人们。使系统质心产生平动加速度的一定是外力作用，这一规律依然适用于人的跑动。内力主要是肌肉拉力，支持人体运动的源泉。内力可以保持跑的身体姿势、控制动作的完成、改变身体同支撑物的相互关系。跑时人体利用肌肉储备的化学能转化为机械能，及肌肉弹性形变成分的势能，发生肌张力而做功。此外，人体组织器官的内阻力也是一种内力。

人跑动的直接动力是脚与地面接触形成接触力。接触面会因为鞋底面与地面的软硬不同而形成不同的接触面，但相对接触面，接触力均可分为法向的弹力和切向的静摩擦力，平行地面向前的力才跑动有贡献。冰面上之所以难以跑快是因为向前的静摩擦力太小，跑的动力不足。[3]

二、跑步加速和减速过程中的摩擦力

跑步的定义是指陆生动物使用足部移动。它在运动上的定义是一种步伐，双脚不会同一时间踫到地面。

在整个跑步过程主要经历加速前进、减速停止两个过程。

图1

如图1所示，假设人由静止开始向前运动，需要有一个相同方向的外力提供其运动所需的加速度，故右脚向后蹬，有向后的运动趋势，支撑反作用力的水平分量与运动方向一致，向前（画图分析）此时右脚上受到水平向前的静摩擦力。同样的，跑步实际上是一只脚到另一只脚的飞跃，如图所示，当人体运动到5时，需要由左脚重复相同的后蹬，使人体在后蹬时间内获得补充速度，每跑一步的速度是由前一步保留下来的速度（惯性）与下一步补充速度的矢量和（《跑步与行走中的力学知识》）。所以人体在这个后蹬过程中所做的是加速运动，而摩擦力方向与运动方向相同，为动力。

在4到5阶段，人体由3阶段的腾空后落下来，由于惯性，左脚落下后前蹬，有向前的运动趋势，对地面施加斜向前的作用力（画图说明），人体收到的支撑反作用力斜向上，水平分量向后，而静摩擦力的方向也向后，人体处于减速阶段，摩擦力方向与运动方向相反，为阻力。

1.加速前进过程中的摩擦力

如图2所示，在此过程中，人加速前进，因此有向前的加速度。我们跑步时，都有一种感觉：右脚跟先离地，右脚尖向后蹬的体验（感觉），由此我们可以判断右脚与地面接触时，有向后运动的趋势。所以，在加速前进时，人体受到地面给其向前的静摩擦力。此时摩擦力与加速度方向相同，故摩擦力起到的是助跑作用，是动力。

2.减速停止过程中的摩擦力

G F 摩

F 支

G F 支

F 摩 图2

图3

如图3所示，在此过程中，人减速前进，加速度向后。左脚跟先着地。在左脚与地面接触时，有向前运动的趋势，因此会受到地面给其向后的静摩擦力。则加速度与静摩擦力方向相同，此时摩擦力有利于减速的实现，是阻力。

综上所述，在跑步过程中，加速时，摩擦力是动力，起到助跑的作用。在减速时，摩擦力是有利于减速，使运动停下来，是阻力，起到阻跑的作用。

参考文献：

[1]张大昌.物理（必修1）[M].北京：人民教育出版社,2010.

[2]邓学明.跑步运动的力学探究.物理通报[J]，2011，(7).

[3]邓学明.人跑的动力再分析.浙江科技学院学报[J]，2013，(6).

评语：该论文从高中物理力学部分中的“摩擦力”入手，联系生活中的相关现象，并进行了深入的思考和细致的研究，将课堂知识活学活用，很好的解决了生活中的问题，体现作者对物理的兴趣和探索精神。

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