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空手道的物理学

2022-04-07 13:58:07 Giovanni Di Maria 阅读:
空手道所做的动作精确反应了物理学与数学的定律。空手道基本上就是精确地利用这些准则,从人体杠杆(手臂和腿)中获得最大的力量。武术师父与学徒在道场训练时,花费大量时间运用物理学的技巧及窍门,就是为了提升他们每一招式的力道。让我们一起来观察空手道中的一些现象。

空手道所做的动作精确反应了物理学与数学的定律。空手道基本上就是精确地利用这些准则,从人体杠杆(手臂和腿)中获得最大的力量。武术师父与学徒在道场训练时,花费大量时间运用物理学的技巧及窍门,就是为了提升他们每一招式的力道。让我们一起来观察空手道中的一些现象。akuednc

空手道:一系列的物理学概念

空手道可能是运用物理学概念最精确也最频繁的运动。运动员所做的所有动作与招式都不是随意而为的,相反地,它们都是经过仔细研究的,为的就是要传递最大的能量并减少对其身体的伤害。如果出手正确,很可能就是致命一击,可以夺人性命。人体的这些潜力是摔跤手们所熟知的。akuednc

一些定义

在开始分析与模拟之前,记住一些技术性的定义是很有用的。在物理学中,每个词都有精确的含义而且不能互换:akuednc

  • 力(N)——导致速度变化的动作。
  • 重量(N)——源自国际制度的一个量,表示物体被地球引力吸引的力。
  • 质量(kg)——惯性的测量;亦即物体对抗其各种不同静止或运动状态变化的阻力。
  • 速度(m/s)——物体位置变化的速度。在空手道中,平均速度相当于执行技术的速度,而瞬时速度则相当于出击冲击速度。
  • 加速度(m/s2)——速度变化的速度。如果假设其为负值,则为减速度。
  • 功(J)——物体移动时,由力在物体上传递的动能。
  • 能量(J)——物体做功的能力。
  • 动能(J)——物体因移动而拥有的能量。
  • 重心——身体所有重量的施加作用点。
  • 压力(N/m2)——表面上的正交力与其面积之比。

速度是必要的元素

在空手道中,移动的速度是关键,如果身体移动缓慢,就无法获得最重要的结果。换句话说,必须在出击瞬间施加最大可能的力,同时达到快速且精确的程度,如1所示。在这一系列影像中,李小龙将他所有的重量都集中于一处,造成毁灭性的效果。他身体的所有部位和谐地移动,最终将能量发挥到极致。他的身体相当于一个质量约为60kg(李小龙的重量)的物体,以大约7m/s的速度移动,其动能为1,470J,而冲击力为数万牛顿。如您所见,这60公斤的袋子被打到相当远的距离。akuednc

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1:李小龙的速度具有毁灭性。akuednc

如果李小龙以1m/s的速度奔跑,他的麻袋只会移动几厘米,效果很差。因此,速度是创造力量的真正要素,而不是质量。速度加倍则效果惊人。当然,质量是不能改变的,因为身体的各个部分(拳头和脚)是不可改变的。如2所示,我们可以看到李小龙以四种不同的速度击打一个60公斤的袋子:akuednc

  • 1m/s——几乎无法察觉冲击,袋子仅轻微摆动。
  • 2m/s——冲击力稍强,袋子摆动幅度更大,上升了几厘米。
  • 7m/s——冲击力非常强,袋子可以上升到离地面近2米的地方。
  • 10m/s——冲击非常强烈;袋子可以上升到离地面好几米,其至还会打转。这个情况是人类可能之极限。

黄色图表说明砂袋的垂直位置。akuednc

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2:运动员应该更仔细地训练其移动速度。akuednc

现在让我们看看这些情况中哪一种具有更大的动能,记住这是物体因为移动而拥有的能量,以焦耳(j)为单位。您必须选择如下:akuednc

  • 案例1——质量为4kg的物体,速度为10m/s;
  • 案例2——质量为2kg的物体,速度为20m/s;
  • 案例3——质量为8kg的物体,速度为5m/s。

使用以下公式计算动能:akuednc

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结果如下:akuednc

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从能量结果可以看出,速度加倍总是比质量加倍更胜一筹。一个非常轻的物体,仅重2公斤,高速发射会产生更多的动能,因此会造成更大的破坏(见3)。手枪子弹的原理就是基于这一点。许多拳击手有一个错误的想法认为“他们可以打得更猛烈”。调整两个变数就能增加打击的能量:拳头的质量及其速度。akuednc

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3:物体的速度比其质量更具破坏性。akuednc

冲击力学

冲击是两个物体之间的剧烈碰撞,通常具有速度。在冲击过程中,能量以热量、功、变形或噪声的形式相互传递。计算时,需要确定瞬时之减速度;亦即物体从其巡航速度到零的时间。这是因为每种物质的反应有所不同所致。如果冲击表面较软,则时间将比在硬表面上的冲击要长。为了计算冲击力,必须知道以下事项:akuednc

  • 物体的质量;
  • 物体的速度;
  • 冲击的持续时间。

计算减速时间是非常困难的。它的范围可以从在硬表面施加净冲击的百分之几秒到软表面着陆的几秒不等。也有必要考虑物体的几何形状及结构,以验证究竟是弹性碰撞还是非弹性碰撞,并评估对物体的影响以及冲击引起的相对减速度。实务上要测量时,可以使用具有非常高“帧率”的特殊相机,通常大于1,000fps。换句话说,如果击打一块木头、一块铁板、一张脸或一块海绵,冲击力都会有所不同。优秀的空手道武者能以大于10m/s的速度移动拳头,并且能够产生大于700kg/force的破坏力。为了计算冲击力,可以使用以下公式:akuednc

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非弹性冲击

在非弹性碰撞中,动量是恒定不灭的,而动能则转化成变形量及热量。我们可以将击打运动员脸部的一拳视为非弹性冲击(参见4)。假设之场景如下:akuednc

  • 质量“A” (头部):5kg
  • 速度“A”:1m/s
  • 质量“B” (对手的一拳):0.6kg
  • 速度“B”:15m/s

从两个质量的速度模型中,立即能了解到它们即将相互碰撞,其结果令人惊讶。我们首先计算两个移动质量的动能:akuednc

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碰撞前全身的动能等于两个物体动能的代数和:akuednc

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现在有必要计算撞击后全身的速度,其中两个物体保持相互接触,其公式如下:akuednc

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最后,计算全身在撞击后的动能:akuednc

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因此,测量的动能是:akuednc

  • 冲击前的系统动能:70J
  • 冲击后的系统动能:17.5J

您会立即注意到碰撞前和碰撞后全身之间的动能差异。在非弹性冲击中,动能(52.5J)的差异转化为变形量和热量(随之而来的是脸部受到打击的运动员之疼痛与伤口),这与保留动能的弹性冲击不同。插图中的图表显示一拳的巨大减速,仅持续0.03秒。冲击力具有毁灭性——大约400N,加速度约为60g。几秒钟内超过6g的值会造成极严重的后果,可能失去知觉或死亡。无论如何,问题是非常复杂的,现实中存在很多变量。下表以一般的方式总结可能对身体造成伤害的人体压力极限值:akuednc

  • 10,000N (颅骨上的最大力)
  • 4,000N (超过此限制,脊柱会断裂)
  • 700N (肋骨的最大极限值)

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4:非弹性冲击的头部出拳方法。akuednc

总结

空手道物理学是一个非常广泛的论题,应该从几个层面深入探讨。例如,我们可以研究平衡或转身出击的概念。所有人类和自然行为都受到严格的物理学和数学定律支配,其知识使我们能够了解涉及量的所有行为并预测其影响,即使是长期的亦然。熟悉空手道动作的人身怀真正的人体武器,也知道使用这些武器可能致命。akuednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb,参考链接:Physics in Karate,由Franklin Zhao编译。)akuednc

本文为《电子技术设计》2022年4月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里akuednc

责编:Franklin
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