自重健身運動學——淺談牛頓力學三定律

本文將給大家帶來的是《PCC手冊》中關於自重力學的探索分析，將牛頓最負盛名的三大定律分析自重健身中的運動力學，希望對大家理解自重健身有所幫助。

「力學」研究的是動作，因此，它是物理學的傳統分支。但是在體育和自重訓練中，力學得到了巨大的應用，所以說它具有另一個名稱——「運動學」。

力學有助於理解作為一切自重訓練的基石而存在的運動科學，即使領悟它的一點皮毛也將讓你受益匪淺。在本部分，我們將探討經典力學之中一些有用的觀念，尤其是英國物理學家牛頓（1642-1727）所提出的那些。雖說牛頓的部分見解（主要是關於空間、時間和重力的看法）受到現代理論（尤其是廣義相對論）的質疑，但他的理論還是相對精準的，並且廣泛地沿用至今。

牛頓的第一運動定律

這條定律陳述如下內容：

「除非受到不平衡的力，否則靜息的物體永遠靜息，運動的物體永遠勻速直線運動。」

它常被稱為「慣性定律」，因為它提出的概念是物體需要受力才能改變速率——改變速率時（不論靜止或是運動）的這份「惰性」就是我們所說的慣性。

這條定律同樣幫助我們定義「質量」：物體擁有的慣性的量。在受力平衡的狀態下，物體質量越大，越難以移動。

從本質上說，根據伽利略的力學相對性原理，這條定律將靜止與運動視作等同。在靜止的參照系中或音速前進的飛機上進行引體時，鍛煉所需要的力（和自己身體受到的力）完全是相等的。因此，關於參照系整體的運動或靜止，我們的身體一無所知。只有加速或減速（譬如飛機起飛或汽車制動）時，我們才會「感覺」到運動的存在：這正是本定律提及「不平衡的」力的原因——直線勻速運動是「平衡的」，且無法區分於靜止。

一言蔽之，平衡受力下，凈受力（F）等於0，物體不會加速會減速。此時的速率（v）同樣等於0。用數學公式來表達：

如果F=0，那麼a=0，v保持不變。

應用

許多朋友的思維存在誤區，認為牛頓第一定律只適用於外太空，因為外太空之中的物體不管是否受到推進都會「永遠」直線運動。當然，牛頓第一定律可以應用到任何地方。

至於它在自重動作中的應用，下面是一些關鍵要素：

重力下壓，人力上抬

牛頓第一定律告訴我們，造成運動的不是「力」，而是「不平衡的力」。假設將你下拉重力消失，那麼不需要任何額外的力，你就會從深蹲的最高位開始持續上升，一路登天。

質量越大，改變速率所需的力越大。也就是說，進行同一個動作（比如深蹲或俯卧撐）時，體重越大的人需要的力也越大，因此不同人耗力不同：所需的力與人的體重有關（能量同理）。

慣性是速率的產物，受其影響，保持運動中的物體繼續運動所需的力較小。因此，動作產生的慣性越大，持續進行所需的力越小。進行相同動作時，慣性最大的人耗力最小。雖然可以提升能量的利用率，但這也有消極的一面——耗力是高效練習的關鍵一環。

「力學」研究的是動作，因此，它是物理學的傳統分支。但是在體育和自重訓練中，力學得到了巨大的應用，所以說它具有另一個名稱——「運動學」。

牛頓最負盛名的三大定律，並與自重健身相結合，本系列文章較難讀懂，建議大家多讀幾遍，去體會其中的道理~

牛頓第二運動定律

這條定律陳述如下內容：

「物體受力產生加速。（待加速的）物體質量越大，（加速所需的）力也越大。」

第一定律告訴我們，運動和靜止是等價的狀態，改變不出現在「動作」範疇，而是「加速」範疇（或者還有「減速」，但二者在物理學之中不存在本質差異）。而本定律更注重圖片之中的變數，並向我們講述測量凈力的方式。

勻速直線運動的物體受到的凈力為零（這句話的意思不是不受到任何力，而是不受到不平衡的力）。只有在速度出現改變（加速）時，凈力才會增加，且等於物體的質量（慣性）乘以加速度。

將凈力設定為F，質量為m，加速為a，以數學公式表達如下：

F=m×a（或者F=ma）

換種說法，加速度是凈力除以質量：

A=F/m

這些公式表達了凈力、質量與加速度的關係。看起來稍顯複雜，但實際上我們可以直觀地理解其中的關聯：在訓練中推動一件物體時，我們賦予它的加速度（運動快慢）與我們產生的力（推動強度）以及物體的重量直接相關。在一個極端上，我們可以將大量的力施加在低質量的物體之上：比如踢足球，使它獲得大量的加速度，換句話說，它將移動較長的一段距離。而在另一個極端上，我們將力施加在質量巨大的物體之上，那麼它不會移動（不獲得加速度）：比如在地面上進行俯卧撐，因為底面的質量比我們推動的力大得多的緣故，它不會移動（但我們反而會移動，但這是牛頓第三定律的內容了）。

牛頓第二定律中，加速度、質量和凈力相互關聯。重量越大的人，進行身體運動所需的力也越大。

應用

F=ma的等式可以幫助我們輕易計算運動中的凈力。以國際計量單位為標準，凈力具有一個極為貼切的標準單位——牛頓（N）。它的定義如下：

「使質量為一千克的物體獲得一米每秒平方加速度所需的凈力大小。」

舉個例子，體重75千克的人進行雙立臂，需要在一秒內使自己的身體上升一米，那麼我們可以得出所需的凈力是F=75×1或者說75N。

「力學」研究的是動作，因此，它是物理學的傳統分支。但是在體育和自重訓練中，力學得到了巨大的應用，所以說它具有另一個名稱——「運動學」。

了解三大定律為主的力學原理，與自重健身相結合進行思考，有益於自身的雙重提高，智慧與體能！

牛頓第三定律

這條定律陳述如下內容：

「每個作用力都存在大小相等方向相反的反作用力。」

所有定律都具有多種字面表達方式，而本定律比較不通俗的另一種說法是：

「一個物體向另一個物體施加的力，總是伴隨著後者向前者施加的大小相等方向相反的力。」後一種說法或許更適用於運動員。

我們會偶爾將本定律稱為「反作用力定律」。它告訴我們，任何既存的力，都具有大小完全相等且方向相反的力。將標準俯卧撐作為例子，名為「撐」，但我們的手臂實際上是向著地面「下壓」，而這正是作用力。但是地面的質量明顯大於我們下壓的作用力（見牛頓第二定律），因此反作用力最終使我們的身體獲得加速。換句話說，地面太重無法推動，因此被推動的是我們。

這個例子演示了第三定律的要素之一：牽涉到多個物體時（實際上必須牽涉多個物體），作用力與反作用力不一定作用於同一物體。俯卧撐向下的作用力作用於底面，但向上的反作用力作用於人體，這點時常受到誤解。此外，你也需要理解「作用力」和「反作用力」兩個術語是片面的，因為它們在同一時間出現。

類似所有的其他定律，第三定律也可以使用公式進行表達。物體A作用於物體B的力（F AB）與物體B反饋至物體A的力（F BA）大小相等：

F AB=F BA

在存在運動的任何場合，我們都可以找到作用力與反作用力，但是它們存在的基礎是摩擦力：極小的摩擦力將導致作用力無法產生，因此反作用力也不能出現。試想一下，試著在冰面上奔跑但保持在原地無法移動，或者試著在泥漿中進行俯卧撐但雙手無法固定。這是隱藏在一項重要安全措施背後的科學：絕大多數情況下，我們必須在高摩擦力的環境中（避開滑溜的材料或液體等）進行自重訓練。

牛頓第三定律是自重動作進行的前提。你向地面施加向下的力（作用力），同時，地面想你反饋向上的力（反作用力）。

應用

因為力的吸收而造成組織損傷，是牛頓第三定律的體現之一。傳遞經過身體的力（作用力）不可避免地被身體吸收（反作用力），換句話說，與小發力相比，產生較大的力時，身體需要承受更大的懲罰。

這在爆發性或增強式動作中尤為顯著。由於重力的緣故，（比如跳躍或俯卧彈中）落地時的力比離地時的更大，而這一身體擊向地面的力反過來通過自己的身體，存在造成損傷的可能。諷刺的是，在踏板課程中，很多人向上踏（人體產生的力較小）之後向下跳（重力產生的力較大）——向上跳（人體對抗重力產生中等的力）之後向下踏（較小的力）可以減少損傷，做到事半功倍。

本文不易理解，建議收藏後細細品味~

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