四年一度的奧運(yùn)剛剛落下帷幕?；仡櫛緦脢W運(yùn)會(huì)，開幕前，奧運(yùn)的籌備與推進(jìn)工作就受到了各方的關(guān)注。隨著奧運(yùn)帷幕的正式拉開，各國健兒們也在體育場上為我們呈現(xiàn)上一場別開生面的體育賽事。
不過，歷屆奧運(yùn)會(huì)可以各有不同，但是掌控各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)則卻始終不變，那就是物理。實(shí)際上，很多物理學(xué)家也是體育狂，我們來扒一扒他們熱愛的運(yùn)動(dòng)，以及其中的物理原理。
把量子粒子比作足球的人
這位物理學(xué)家獲諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)，一家媒體的新聞稿標(biāo)題是這樣的：授予足球運(yùn)動(dòng)員尼爾斯?玻爾諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
玻爾出生時(shí)，現(xiàn)代足球在丹麥還是個(gè)新事物，但是他父親把這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)介紹到了當(dāng)?shù)兀⑶医⒘艘粋€(gè)足球場，每次去的時(shí)候都會(huì)帶上兩個(gè)兒子：玻爾和哈那德。這導(dǎo)致玻爾從小就熱愛足球，并且在年輕的時(shí)候參加了職業(yè)足球比賽。他曾擔(dān)任 AB 哥本哈根足球俱樂部足球隊(duì)的守門員，該隊(duì)是 20 世紀(jì)初丹麥最著名的球隊(duì)之一。后來成為數(shù)學(xué)家的弟弟哈那德甚至還作為丹麥國家足球隊(duì)的一員參加了 1908 年的奧運(yùn)會(huì)，并最終奪得了銀牌。
最終覺得做題比守門有意思的玻爾放棄了足球，選擇進(jìn)入哥本哈根大學(xué)主修物理學(xué)，不過在校期間也擔(dān)任了大學(xué)足球校隊(duì)的守門員。在他專注于專業(yè)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，足球和電子遵循完全不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，那么大小就一定產(chǎn)生了影響。玻爾開創(chuàng)的量子力學(xué)幫助我們理解微觀世界的奇妙現(xiàn)象，而經(jīng)典物理卻能解釋玻爾熱愛的足球這個(gè)宏觀物體的運(yùn)動(dòng)。不過，宏觀的足球運(yùn)動(dòng)起來好像也不是那么容易預(yù)測。1997 年，巴西足球巨匠羅伯特?卡洛斯踢出的任意球以匪夷所思的路線飛進(jìn)球門，震驚世界。
根據(jù)牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律，任何物體都要保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。當(dāng)球員踢球時(shí)，給了球運(yùn)動(dòng)的方向和速度，但是什么力量使球轉(zhuǎn)向？香蕉球的關(guān)鍵就在于“旋轉(zhuǎn)”，球兩側(cè)空氣流動(dòng)速度的差異，改變了它的運(yùn)動(dòng)路線。球在空氣中穿行，迎面氣流從球的周圍流過。左側(cè)逆時(shí)針自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流與迎面的氣流相疊加，因而氣流流動(dòng)的速度變快。右側(cè)順時(shí)針自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流抵消了一部分迎面氣流，因而氣流流動(dòng)的速度變慢。
根據(jù)伯努利定理，左側(cè)壓強(qiáng)小，右側(cè)壓強(qiáng)大。氣流就產(chǎn)生了從右向左流動(dòng)的趨勢。再根據(jù)馬哥努斯效應(yīng)，左右的壓強(qiáng)差使球產(chǎn)生一個(gè)橫向力，這個(gè)力使球最終向左運(yùn)動(dòng)，飛入球門。
屈居第二的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者
這位是前面那位足球愛好者的學(xué)生 —— 沃納?海森堡。
海森堡性格外向，他不僅在學(xué)術(shù)上富有成就，還擅長音樂、語言、登山，以及乒乓球。據(jù)稱他打遍萊比錫大學(xué)無對手，而且爭強(qiáng)好勝，直到 1928 年，一個(gè)中國留學(xué)生慕名來到德國跟隨海德堡學(xué)習(xí)量子理論，從此以后，海森堡的乒乓球水平從全校第一變成了第二。而這個(gè)學(xué)生就是周培源，也就是楊振寧的老師。周培源敬佩這位年輕教授在物理學(xué)方面的才華，海森堡也非常認(rèn)可周培源的學(xué)識(shí)，兩人年齡相仿且同樣非常喜歡打乒乓球，相處十分融洽。周培源赴美講學(xué)前，甚至還舉辦了一場乒乓球賽聯(lián)歡茶話會(huì)。后來海森堡多次在公開場合盛贊周培源的品行、工作態(tài)度、學(xué)術(shù)素養(yǎng)，以及讓他念念不忘的乒乓球技術(shù)。
說到乒乓球，就不得不說它獨(dú)有的旋轉(zhuǎn)。乒乓球在任何給定的方向上都可能有相當(dāng)大的旋轉(zhuǎn)，而選手使用旋轉(zhuǎn)主有兩個(gè)原因：首先，與不旋轉(zhuǎn)的球相比，旋轉(zhuǎn)的球有著完全不同的軌跡，這使得球能到達(dá)不旋轉(zhuǎn)就無法到達(dá)的角度和位置。其次，面對旋轉(zhuǎn)的球，對手更難做出反應(yīng)。
如果你面對的是上旋球，接球時(shí)，球會(huì)給拍面一個(gè)向下的摩擦力，拍面會(huì)給球一個(gè)向上的反作用力，所以你接住的上旋球容易飛上天。
如果你面對的是下旋球，接球時(shí)，球會(huì)給拍面一個(gè)向上的摩擦力，拍面會(huì)給球一個(gè)向下的反作用力，所以球容易鉆網(wǎng)底。
還有一種奇特的現(xiàn)象，如果下旋球彈到了球臺(tái)上，會(huì)給球臺(tái)一個(gè)向前的摩擦力，球臺(tái)給球一個(gè)向后的反作用力。如果球的速度夠快，球可能會(huì)向球網(wǎng)方向倒退。
球的旋轉(zhuǎn)主要是靠球和膠皮之間的摩擦力產(chǎn)生的。正膠面顆粒向外，打出的球轉(zhuǎn)速慢但是球速快；反膠面顆粒向內(nèi)，打出的球轉(zhuǎn)速快球速也快。
仰望星空的掌舵人
牛津大學(xué)的賽艇隊(duì)有近 200 年的歷史。有位我們意想不到的物理學(xué)家曾是牛津大學(xué)賽艇隊(duì)的一員（下圖右一）。他擔(dān)任的是舵手，從圖上看起來，他確實(shí)不是一個(gè)健碩的人。
但你一定也想不到，他就是當(dāng)代最偉大的物理學(xué)家 —— 史蒂芬?霍金！雖然我們印象中霍金幾乎一生都是被困在輪椅上的，實(shí)際上，他在患上肌萎縮側(cè)索硬化癥之前，曾是牛津大學(xué)賽艇隊(duì)的一員。由于舵手不參與劃槳，身材瘦削又大嗓門的霍金就成了舵手的理想人選。
能夠入選舵手，霍金還真是占了身材上的優(yōu)勢。賽艇可以說是水上運(yùn)動(dòng)速度最快的項(xiàng)目，人和器材的自重是影響賽艇速度的關(guān)鍵因素之一。自重越大，向前劃行時(shí)需要克服的阻力就越大。而器材的重量有嚴(yán)格規(guī)定，比賽前各隊(duì)會(huì)對賽艇自行稱重，如果重量低于標(biāo)準(zhǔn)，就要加鉛塊來增重。要想有效減輕重量，就只能從人的體重下手，所以就打起了不參與劃槳的舵手的主意。1900 年奧運(yùn)會(huì)上，為了奪冠，荷蘭隊(duì)甚至用一位 7 歲的法國男孩替下了原本是成年人人的舵手，就是為了減輕重量，從而減小賽艇行進(jìn)的阻力！不過，為了杜絕這種現(xiàn)象，現(xiàn)在的賽艇比賽規(guī)則已經(jīng)改變了。賽艇一開始并不像現(xiàn)在這樣“苗條”，外形在演變過程中慢慢變窄，現(xiàn)代賽艇的寬度八人艇 57 厘米、單人艇僅有 30 厘米，也是為了減小水的阻力。另外，賽艇的槳原本是一個(gè)費(fèi)力杠桿。1846 年，英國人在賽艇的兩側(cè)安裝了延伸到艇外的槳架，增加了槳的長度，大大延長了動(dòng)力臂。這樣一來，運(yùn)動(dòng)員使用比較小的力，艇也能獲得較大的動(dòng)力。這些舉措，都助力賽艇成為水上項(xiàng)目的速度之王。
物理界的運(yùn)動(dòng)狂人可遠(yuǎn)不止他們 —— 卡爾?薩根在中學(xué)時(shí)期曾是?；@球隊(duì)隊(duì)長。愛因斯坦是健走的狂熱愛好者，每天走 5 公里去上班。不過，他比特斯拉差遠(yuǎn)了。極為自律的特斯拉每天健走 12 至 16 公里。國際著名核能科學(xué)家錢偉長擅長田徑。參加過全國大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)，獲得 100 米欄前三名?！?以研究運(yùn)動(dòng)規(guī)律著稱的物理學(xué)家牛頓此次卻并沒有上榜，實(shí)在是小編還沒找到他喜歡什么運(yùn)動(dòng)，不過也不妨礙他的理論能指揮各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。
參考資料
[1]https://davidson.weizmann.ac.il/en/online/sciencehistory/scientist-who-found-difference-between-quantum-particle-and-soccer-ball [2]https://gregsttpages.com/archives/general-articles/the-basic-physics-and-mathematics-of-table-tennis/ [3]https://davidson.weizmann.ac.il/en/online/askexpert/physics-table-tennis-aka-ping-pong
[4] 央視紀(jì)錄片《我的牛頓教練》
[5] 圖書《我的牛頓教練》
[6]《我，海森堡》
[7]《物理》2010 年第 2 期，《海森堡與中國物理學(xué)界》金忠玉、王士平西班牙《趣味》月刊 1 月號
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