观赏成都大运会比赛的同时，你是否意识到运动背后的科学原理？

在观赏成都大运会精彩比赛的同时 你是否意识到运动背后的科学原理？

中央新影发现纪实 科影发现 2023-08-01 11:00 发表于北京

第31届世界大学生夏季运动会开幕式刚刚结束，各种紧张赛事正在紧张地进行当中。而五花八门的体育项目，让高水平的运动员们所展现超常的人体机能。但是你真得看懂这些体育项目了吗？

不管运动多么复杂或简单，其运动原理都是由最基础的物理原理决定的。今天就为大家推荐一部讲述运动科学的纪录片——《我的牛顿教练》，这是一部以牛顿为虚拟人物，为观众讲解人体运动中的物理原理。

导演：李金炜

播出时间：2018年

片长：25分钟*6集

观看平台：央视频

出品单位：中央广播电视总台

承制单位：北京发现纪实传媒有限公司

在这部纪录片里有一位科学家牛顿，他没有继续做科学家而是改行做了体育教练。

在他所教的每一个项目中，他都会给学生讲述他提出的牛顿定律是如何影响体育运动的，让学生运用物理知识，从而更好地进行体育锻炼。本片共包含了骑车、跑步、游泳、足球、羽毛球、乒乓球、铅球、掷铁饼、滑冰、赛艇、冰壶、举重、射击等多个体育项目，都和物理学挂上了钩。下面一起来看看这部纪录片里面的运动物理学吧。

1、游泳——想要游得快你就要克服“阻力三人帮”

在该片第二集讲了游泳。泳池是人类挑战极限的第二战场，在奥运会的项目中金牌最多的是田径，其次就是游泳了！

在本片中，讲述了人类最早产生的泳姿是蛙泳，后来的仰泳、自由泳和蝶泳等都是由蛙泳演变而来的，可以说青蛙是人类的游泳“祖师”。

但是蛙泳却是所有泳姿中速度最慢的一个，那么游泳的时候如何又省力又快呢？牛顿教练是这样解答的！

我们在游泳时，几乎98%的能量输出都用在了克服阻力，只要在水中开始前进，就会遇到“阻力三人帮”的拦截，它们分别是压差阻力、波浪阻力和摩擦阻力。

水强大而又复杂的阻力，也决定了各种泳姿的差异。速度最快的自由泳游，整个过程人体基本都在水下潜泳，波浪阻力就大幅降低了，而且身体比较平直，没有太大的角度变化，这些都可以最大限度地减少阻力。

蛙泳虽然是人类最古老的泳姿，但游泳时身体要大幅度倾斜，出水快，入水慢，收腿和伸臂的动作还要在水下进行，可以说是处处受阻，所以蛙泳泳姿游、来最慢。

所以，游泳时想要游得快，那么选对泳姿还是很重要的。

2、体操和跳水：“角动量守恒定律”起着决定性作用

除了游泳还有一个中国梦之队最擅长的项目，那就是跳水，而跳水也经常出现最复杂的人体旋转，就是翻腾与转体结合的动作。《我的牛顿教练》详细解释了这其中的科学原理及其关键作用。

这两个项目最让人不可思议的就是先翻腾再转体的动作 ！运动员首先要沿横轴先前翻腾，紧接着翻滚的轴线就会由横变纵，人体沿着横轴的翻滚从而变成纵轴的转体动作，这一动作则是受到了角动量原理的影响！

角动量守恒定律是现代物理学的根基之一，直升机的发明，陀螺仪的出现，乃至计算宇宙行星的运动规律，都是建立在这一科学定律的基础上。

由横轴变为纵轴的角动量是运动员在由翻腾到转体的瞬间，一手迅速上抛到头后，另一只手下放到髋部。

而这个瞬间的动作会使人的质量分布产生急剧的不对称变化,使原本的横旋转轴倾斜过来，因为角动量守恒的缘故，一部分横轴旋转的角动量“被迫”转化为了纵轴的角动量，所以通过跳水运动员通过对身体姿态的快速转变，从绕横轴的角动量中，抢了一部分，给了纵轴的转体动作！

在体操运动中，也经常会出现这种角动量的动作。

比如体操运动员在完成空翻动作的时候，直体翻转的轴心与身体分布较远，转动的惯量大，因此旋转速度也会越低。

还有与跳水相同的翻腾结合转体动作，转体时运动员的旋转轴是倾斜的。这其中是角动量守恒定律在起着决定性作用。

3、径赛：跑步中蹬地的角度是关键

速度，是人们对体育运动最直观的感受之一。每一个和速度有关的项目，“牛顿教练”都是行家。比如，备受关注项目短跑。

根据牛顿运动定律，我们向前奔跑的力源自脚向后蹬地时，地面给脚的反作用力。 

所以想要跑得快，首先得找到一个合适的蹬地角度，找好角度了还不算完，一般来说，个子高的人步幅大，个子矮的人步频快，在步幅与步频之间，短跑运动员们需要找到一种微妙的平衡。

而博尔特的出现，打破了传统短跑运动员的观念，他利用自己的大步长跑法将百米世界纪录定格在了9秒58。

为了展示人类的奔跑速度，在片中让博尔特和各种动物一起奔跑，看起来更加直观了。

4、跳远：空气密度越小跳的就会越远

1968年的墨西哥奥运会上，跳远运动员鲍勃·比蒙跳出了一个8.90米的惊人成绩！除了比蒙的出众实力，空气也为他做出了巨大贡献。《我的牛顿教练》重点分析了空气，对于这一项目的影响。

当天的风非常给面子，在比蒙跳跃时，刮着不超过每秒2米的顺风，这样的风力既在破纪录的承认范围之内，又给了他一定的助推力。

墨西哥城海拔2248米，空气密度大概相当于海平面的地区的80%，所以空气密度越小，阻力也就越小，好的天气也帮助比蒙完成了这世纪一跳。

所以田径和跳远类的项目，运动员都希望自己能够遇到一个顺风的天气，这样能够取得更好的成绩。

《我的牛顿教练》不止讲述了以上这些项目，还讲述了空气动力学自行车、标枪等项目的作用，以及用力学原理去解释举重项目等，让观众更好的从物理学角度去了解体育项目。

该片由中央新影发现纪实传媒承担制作，中央新影发现纪实传媒自成立以来，不仅继承北京科影六十年科学纪录片的创作传统，更加积极探索新时代科学纪录片的创新发展之路，近年来连续推出了《手术两百年》《登峰》《门捷列夫很忙》《总师传奇》《智能时代》等多部现象级科学纪录片。