大「力」出奇迹︰扒龙舟划出力学原理｜星岛教室
2024-10-24 12:26 
「咚！咚！咚！」每年农历五月初五，端午节的庆祝活动不仅仅是品尝糭子以纪念伟大诗人屈原，更是人们走到河边两岸，欣赏那激动人心的划龙舟比赛。其实划龙舟与物理学看似风马牛不相及，却有着意想不到的深厚联系。在这波涛汹涌的水面之下，潜藏着科学的奥秘，正等待着我们去探索与理解。划龙舟是力量与耐力的结合，更是物理学原理在实际应用中的活生生例子。从力学到稳定性，再到流体力学，它的每个细节都与物理学紧密相连。
力学原理解构
在划龙舟的过程中，运动员施加在桨上的力量是推动船前进的主要动力。根据牛顿第二定律，物体的加速度与施加在其上的力量成正比，且与物体的质量成反比。公式为：F = ma
其中，F是施加给龙舟的力；m是龙舟和运动员的总质量；a是龙舟的加速度。这意味着，施加给龙舟的力越大，而龙舟和运动员的总质量越小，它的加速度就越大。
1.增加施加给龙舟的力
- 可增加运动员的肌力训练，使他们更用力去划水。
- 可加强运动员划水动作一致性的训练，使他们产生更大的合力。
- 运动员握桨时，一只手扣于握柄上，另外一只手则握于桨叶上方约半个手掌位置，这样可产生较大的力臂，力臂越大，力矩越大；力矩越大，当桨入水时，水给龙舟的反作用力亦会越大。公式为︰M = F × d
其中，M是力矩；F是运动员施加的力；d是力臂。
- 运动员划水时，把手臂和身体尽量向前使力，增加桨的入水点和出水点的距离，这样亦可增加力臂，增加力矩，增加水给龙舟的反作用力。
- 桨面在入水时的速度要快于龙舟本身的移动速度；划水时，桨面要与船身垂直，这样桨面的水阻力增大，水给龙舟的反作用力亦会越大。
2.减低龙舟和运动员总质量
- 严格管理运动员的体重。
- 舵手尽量选体重轻的。
稳定性与平衡
在水上运动中，船的稳定性至关重要。由于龙舟的外形比较狭长，故它在水上的支撑面积较小，在移动时，若遇到不稳定水流，或是比较大的水浪，很容易会让它的重力投影落在支撑面以外，这样龙舟就会翻侧。因此，在安排运动员位置时，左右两排的总体重必须相若，这样就可以确保龙舟和运动员的总重力投影会落在支撑面的中心位置，这样龙舟就不容易翻侧了。
当然通过控制运动员的姿势和力量，保持他们身体的重心在船的中心线上，亦可以有效避免船的倾斜，从而保持稳定。
流体力学
划龙舟时，桨叶和龙舟都会在水中移动，它们必然会引起水流的改变。流体力学能够告诉我们这些水流的改变，如何影响桨叶和龙舟在水中所受的阻力和推力。
1.流体阻力
当桨叶和龙舟在水中移动时，会遭遇流体阻力。流体阻力的大小，分别与水的接触表面积、移动速度，以及水的黏度有关。通过改良桨叶和龙舟的外形设计，使其更加流线型，可有效降低流体阻力，从而提高龙舟的移动速度。
2.压差
桨叶的形状和入水角度亦会影响水流的速度分布。根据伯努利原理，流速越快的地方，压强越低。合理的入水角度能够使桨叶周围的水流速增加，从而在桨叶后方产生更低的压强，进一步增强推力。
划龙舟这项运动蕴含的物理学原理，不仅让我们更好地理解运动的本质，也为提高运动员的划水效率提供了科学依据。从力学到稳定性，再到流体力学，物理学在划龙舟中的应用无处不在。通过深入研究这些原理，运动员可在训练和比赛中更有效地运用力量和技巧，提升整体表现。划龙舟不仅是一项传统体育活动，更是一场科学与文化的交织，让我们在享受运动乐趣的同时，亦感受到物理学的奇妙。
包糭冷知识
为甚么糭子是正四面体的？为何不能是立方体、长方体或球体？其实糭子的形状大有考究，可以从用料和稳定两方面作解释。
假设一只糭子的边长是x cm，该糭子的总表面面积可由公式求得。换句话说，我们需要cm2的竹叶来包裹糭子。若以同样大小面积的竹叶来包裹立方体的糭子，该立方体糭子的边长是0.537x，只有原来的一半，看起来不够得体。再者，如果你曾经包过糭子，你会发现只须使用2块长长的竹叶便能包好糭子，而且能包得滴水不漏，但若糭子是长方体或球体，我们需要3至4块竹叶才能把糭子包好，这样不止浪费材料，而且大大加重了包糭子的时长。
另外，正四面体是一个非常稳定且坚固的结构，使糭子更不容易变形。相信大家都知道，在众多平面形状之中，三角形的稳定性最高。在日常生活中，使用三角形结构的例子随处可见，例如衣架、棚架、三脚架、工地用的吊臂机、桥梁等等，而由多个三角形面组合而成的建筑，更是经过多年风吹雨打都仍然屹立不倒，例如埃及金字塔、巴黎艾菲尔铁塔等等，由上述的例子可见，正四面体的结构最能保证受力均衡。你可能会好奇，包糭为甚么要如此讲究？随便包一包不可以吗？当然可以，但我猜你也不希望蒸糭时，糭子在锅内散开，然后摆在碟上东倒西歪吧。
由此可见，包糭是一门巧妙的技艺，由用料到包裹方式都经过多方面考量，不得不佩服古人的智慧。
小思考，大智慧
在龙舟比赛中，有人在前头打鼓，有人在奋力向前划，但原来还有一个默默在船尾，动作不大，却是整艘船的灵魂人物，他/她就是「舵手」，你知道舵手的主要工作是甚么吗？
参考答案
舵手最主要工作就是控制龙舟的方向，让龙舟前进时保持直线，稍有偏移就要马上调整；舵手须随时观察水流与风向，视乎潮汐而调整位置，确保龙舟直线前进时不会偏移，这个岗位需要非常高超的技术。
本栏逢周四刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。
文：裘锦秋中学（屯门）助理校长、物理科科主任张家荣、裘锦秋中学（屯门）数学科科主任原禧朗
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