徐國峰-失重講座問與答:在外太空丟球

徐教練, 您好:

今天上課的時候聽到向上失重的部分,我個人的理解如下:人體受到重力的作用被固定在地表上,而呈現靜止狀態,當自身因肌肉的作用做了擺手或聳肩等動作,讓身體某些部分的質量產生加速度,所以產生了力量。動作以越短的時間完成,加速度就越快,力量就越大,向上的力量對身體作功,所以造成了向上失重的現象。

跑步是身體同在靜止情況下只要將身體的重心用內力從支撐點移出。例如臀部前移的動作,即可因重力對身體的作用產生一個分力導致失衡,而造成身體朝著失重的方向移動。

兩者的差別在於,向上失重因為失重的方向與重力平行,需要產生等同或大於自身體重的力量去對抗自身體重,需要完全用自身的「內力」對身體作功才能造成向上失重的現象;而跑步僅需要身體重心與支撐不在同一鉛直線上,用內力將重心移出支撐點的上方,就能靠「外力」作用於身體上而產生力量,所以操作起來的難度也是完全的不同。

不知道這樣的理解是否正確?

不好意思,補充一下問這個問題的原因。上述的說法好像會有個問題是:假設在太空當中,無重力的狀態下用自身肌肉驅動做出擺臂的動作,手臂有了加速度,也會產生力,但人在無重力狀態下應是無法這樣自由移動的。所以想請問我的理解是哪個部分沒有考慮周全? 謝謝

徐國峰回應:

林小鋼 沒錯,「手臂有了加速度,也會產生力」→手臂的質量m在自己加速a的情況下會產生力,所以在太空中也可以投球,而且球投出的同時,自己的身體也會往後移動,這就是物理中的動量守恆定律:M1V1=M2V2。

「人在無重力狀態下應是無法這樣自由移動的」→我在課堂上說的是「人在無重力狀態下『質心」無法『自由移動』,但可以透過擺臂而繞著質心轉動」,但如果太空人手上有一顆球,而且他選擇投出,則會在球投出時身體向後移動的情況。但我認為這也不算「自由移動」。

這一段有誤解:「當自身因肌肉的作用做了擺手或聳肩等動作,讓身體某些部分的質量產生加速度,所以產生了力量,而動作以越短的時間完成,加速度就越快,力量就越大」。

我們想像課堂上做的一個例子:微蹲之後向上擺臂,向上擺臂愈快時,腳底下的測力板會測愈大的力量嗎?不會的。力量就是體重。擺臂只是加速失重的過程,也就是投影片中曲線爬到巔峰後開始下滑的那一段,加速擺臂,是加速曲線下滑。

什麼時候「力量會愈大」呢?當某個支撐點a失重,體重快速轉換到另一個支撐點b時,b點在接受到轉移過來的體重瞬間,體重會超過一倍以上,這就像投手後腳的體重轉移到前腳時。另一個例子是我們在課堂上練習的先向後擺臂,身體短暫騰空後落地所造成的「力」。力量愈大,即是體重愈大,這不應是由我們主動創造的,它是落下的被動結果。

跑步那一段的理解沒問題。但最後「向上失重」那一句:「需要產生等同或大於自身體重的力量去對抗自身體重」有問題。小於一倍體重一樣也可以有失重的現象。假設我們雙肩只有5公斤,什麼都不做,單純快速聳起5公斤的肩膀就可以離開地面了;人在聳肩時,腳底板上的壓力是直接變小的,它並沒有增加。

徐國峰補充:

並非「有重力才有質量」,是重力、質量與支撐同時存在的情況下才有體重。手臂本身就有它的質量m存在(所有存在的物質都有質量),當它加速a時,力F就出現了。但這股力是自己創造出來的,所以會很小。例如太空人投球,只靠手臂的質量,支點在肩膀,所以球速不快。在地球上有重力,可以以腳掌為支點,可以靠全身的質量與重力來創重更大的力(就是體重)。38秒處太空人後空翻就是利後向後擺手來進行。你會發現影片中他不斷向後擺手,才能翻過去。

徐國峰補充:

下方影片中他以臀部為支點,擺動整個上半身來投球,所以就像前一支影片的後空翻一樣,太空人有接近前空翻的轉動動作。影片中他向前移動是他踢了一下太空梭的牆壁。我不確定影片中是不是真的棒球,若球的質量夠大,或是手中拿著滅火器之類大質量的東西在太空中向前丟出,身體要向後移動才對。也就是說:向前丟球(丟滅火器),身體會向前轉動沒錯,但質心(臀部)會開始向後等速移動。

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山姆伯伯
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