器械飞行对田径运动训练的流体力学影响

2023-11-23 理论教育版权反馈

【摘要】：计算表明，出手初速度每增加2.5米/秒，抛射距离可增加10米左右。在出手初速度恒定的情况下，影响投掷距离的还有投掷角和器械在空间的飞行状态。

投掷项目中，一些器械如铅球、链球向空间飞行时如果速度不变，则任何时刻所受的阻力大小不变。因此，在研究空气动力学因素对器械飞行状态的影响时可忽略不计，但是标枪、铁饼在空间飞行时空气动力学因素对器械飞行状态则具有很大的影响。

标枪、铁饼在空间飞行时，空气对飞行物体产生阻力与升力两种作用形式。器械在空中飞行的阻力大小取决于器械与空气之间的相对运动速度和器械形状与飞行状态。器械与空气之间的相对运动速度越大，空气阻力越大，由于田径运动技术追求最快的速度，因而不在该因素方面考虑减小阻力的问题。空间飞行器械的形状与形成空气阻力有密切的关系，由于投掷器械（铁饼、标枪）的形状与质量分布是根据规则规定的，属于不变因素，所以不列为投掷技术研究的重点。器械在空间的飞行状态，如器械倾角、冲击角、器械的自转和公转、器械迎风截面积等因素则与所形成的空气阻力、升力、器械飞行稳定性具有重要的关系。

根据Sears风洞实验资料表明，标枪迎风的倾角从0°增至90°的过程中，阻力从最小增至最大，升力变化的规律则是从0°增至45°的过程中升力从零增至最大，从45°增至90°过程中则由最大减至为零。升力与阻力之比，最大值为标枪或铁饼倾角为25°—29°范围内。在投掷标枪、铁饼时应尽可能使器械在空间飞行时能获得最大的升阻比（指器械在空间飞行时所形成的升力与阻力之比），同时保持较快的自转以增强器械在空间的飞行稳定性。从空气动力学特点分析，影响器械飞行距离的主要有以下几个因素：

1.空气压力中心与器械重心的位置关系决定了器械飞行时公转角速度大小

空气压力中心与器械重心的位置关系决定了投掷器械的公转角速度，器械在空间飞行时，公转角速度的大小取决于器械所受空气压力中心与器械重心之间的距离，在器械与空气相对运动速度一定时，空气压力中心与器械重心的距离越长，则空气压力对器械的翻转力矩越大，因而器械的公转越快。国际田联在1987年对标枪规格的更改，尤其是使标枪的重心前移4厘米的规定，实质上就是延长标枪飞行时，压力中心与器械重心的间距，加快了标枪的公转，从而减小了标枪的滑翔性能。在正常情况下，铁饼空间飞行时所受空气压力中心与铁饼重心之间的距离为零，因而铁饼飞行尺寸所受空气压力翻转力矩为零，所以铁饼正常飞行时的公转角速度为零。

2.获得器械空间飞行最大升阻比是提高投掷器械滑翔性能的重要原则

标枪、铁饼在空间飞行，最理想的状态是形成合理的倾角以获得最大的升阻比。在有一定逆风的情况下，空气的总作用力比无风时增大，其升力也随之加大，有利于增加升力，提高飞行的远度。而在有一定顺风的条件下，虽然可以增加器械一定的飞行速度，但对升力损失较大，会降低器械飞行的远度，不同的器械飞行速度，会影响各种角度的合理组合。由于器械在空中飞行条件较复杂，故应根据实际情况确定最佳组合。(www.chuimin.cn)

3.利用器械转动的定向作用保持器械在空间飞行时的稳定性

铁饼在飞行时，压力中心一般是在其重心的前上方，由于旋转力矩而具有陀螺效应，增加了抗偏摆的能力，使铁饼保持动平衡。铁饼飞行的稳定性与自转速度有关。一般来说，转速越大，稳定性越大，标枪出手后产生绕自体纵轴旋转速度，有利于提高标枪飞行的稳定性。

4.构成最佳的投掷条件组合可提高标枪、铁饼在空间运动的距离

根据物体斜抛物运动方程可知，出手初速度是影响投掷距离的最重要因素。计算表明，出手初速度每增加2.5米/秒，抛射距离可增加10米左右。在出手初速度恒定的情况下，影响投掷距离的还有投掷角和器械在空间的飞行状态（如出手角度、器械倾角、冲击角、公转与自转等）。出手角是指器械出手瞬间通过重心的速度矢量与水平线所构成的夹角，器械倾角是指器械在空间飞行过程中其轴向（标枪的纵轴、铁饼的前后轴）与水平线所构成的夹角。冲击角是指器械纵轴与器械重心运动方向所构成的夹角，公转与自转分别指器械绕横轴和纵轴（标枪的纵轴、铁饼的上下轴）的转动。

5.风速和风向对投掷标枪、铁饼的影响

投掷时的风速和风向对器械的飞行有一定的影响，因此理论上的最佳出手角、倾角和冲击角应在一定的范围波动，要将各种因素综合考虑才能求出最佳值。投掷铁饼时，一定的逆风条件有利于增加升力的作用，可延长铁饼滑翔的时间，增加投掷的水平距离。投掷标枪时，风速对速度的影响较小，呈现顺风使投掷的水平距离增大，逆风使投掷的水平距离减小，侧风对标枪在空间飞行的不利影响最大，会影响标枪飞行方向而降低投掷的水平距离。

器械飞行对田径运动训练的流体力学影响

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