太极拳及硬气功中的物理原理 毕业论文.doc

1 太极拳及硬气功中的物理原理 摘要：太极拳是中华传统武术中最著名、流传最广的一种拳法，博大精深；硬气功是 我们在日常生活中最熟悉的杂技表演，精彩刺激；它们都通过巧妙的应用物理学的原 理，达到了出人意料的效果。本文运用合力原理、杠杆原理、惯性原理、动量定理以 及能量转换等力学原理解释了太极拳省力而又能达到最大打击效果的原因，利用动量 定理、动量守恒定律等物理原理粗略计算并解开了腹上开石不伤人的秘密，用角动量 定理和受力分析等方法分析计算，找到了胳膊断木棍、头断铁片的原因。 关键词：太极拳；硬气功；物理原理 physical princal in shadowboxing and hard qigong abstract: shadowboxing is one of the most famous and widely spread traditional boxing in chinese traditional matrial arts,.hard qigong is a kind of acrobatic performance which is widely seen by many of us. its exciting and wonderful. they all apply a lot of physical laws dexterously to get significant result. this article tells us why shadowboxing can get the significant effect in saving-power ways by using physics laws such as force principle, leverage principle, theorem of momentum, law of inertia, elastic potential energy and rotational energy . also it finds the reason why actors can be safe in acting of splitting a big stone on the abdomen by using physics laws such as laws of inertia，theorem of momentum, law of conservation of momentum and the cause why they can brick the stick by arms and brick the iron by head by using the physical laws such as the theorem of angular momentum and stress analysis. key words: shadowboxing; harding qigong; physical principles 目 录 1 引言 3 2 太极拳中的物理原理 3 2 2.1 合力原理的应用 3 2.1.1 斜合力的应用 3 2.1.2 力偶的应用 5 2.2 杠杆原理的应用 6 2.3 惯性原理的应用 7 2.4 动量定理的应用 7 2.5 “缠丝劲”的物理原理分析 9 3 硬气功中的物理原理 10 3.1 腹上开石 10 3.2 胳膊断木棍 12 3.3 头断生铁板条 14 4 总结 14 参考文献 14 1 引言 太极拳是中华传统武术中最著名、流传最广的拳法，它形式多样，风格独特，拳 理博大精深，内涵深厚，历经几百年的发展，包含了有关技击、生理、心理、哲学以 3 及物理等许多方面的内容，深受国内外广大人民群众的喜爱，运动简便，老少咸宜， 关于太极拳研究的学术成果十分丰富 1-8, 但应用物理学原理作较深入研究的不多；我 们在日常生活中较熟悉的硬气功表演腹上开石、头断铁板、胳膊断木棍等，精彩刺 激。但利用物理学原理来深入研究硬气功的比较少，而且是只言片语 9,10；作为对传统 武术感兴趣的学物理的人，深感有责任对其进行较深入的相关研究。本文将在参考大 量相关视频和学术文献的基础上，结合自己锻炼的经历，从物理学的角度出发，力图 对太极拳中的一些招式动作和硬气功中常表演的内容进行科学解释，谈谈物理学原理 在太极拳及硬气功中的巧妙运用，以便大家理解其物理原理，更好的学习和弘扬中华 武术文化。 2 太极拳中的物理原理 通过对太极拳套路中招式动作的分析与研究，已发现太极拳主要应用了以下几个 的物理原理： 2.1 合力原理的应用 合力原理是物理学中的一个重要的规律，在实际生活中有着很重要的应用。在太 极拳的攻防中，太极拳对合力的应用体现在以下两个方面： 2.1.1 斜合力的应用 甲方将力作用在与乙方身上，作用力为f 1, 此时乙方也将力作用在甲方身上，作用 力为f 2，其中甲方施加f 1的点为a，受到f 2的作用点为 b，或甲方施加作用力f 2的点与 受到的力f 1的作用点都为a，两个力方向不同，这时两个力将产生斜向合力 f3，f 3的方 向由f l与f 2决定，我们称它为斜合力。斜合力的示意图如下： a f1 f2 f3 f2 f1 f3 （a） (b) ab 图1所显示的是两个互相垂直的力的作用，他们的合力的大小为 (1)213f 图 1 斜合力 4 f1 f2 f 3 图 2 平行四边形法则 如果两个力f 1、f 2方向不垂直而成一定的夹角 作用在同一物体上，如图2所示， 根据平行四边形法则， f3为f 1、f 2的合力，它的大小为 (2)12cosf 对抗中练习者主要是通过改变对方来力的方向，把对方的技击动作运使过程中发 放的劲力打偏，通常所说的以横破竖、有横不见横等就是运用了不同方向力的合成原 理。这个原理用的很普遍，因为在实际的技击中，在同一直线方向上的作用力很少， 更多的时候是两个力形成一定夹角。用一个小力作用于一个大力，使大力的方向发生 改变，从而减弱或消除大力作用的效果。 斜合力在运用时有两种表现形式：一种形式是甲方用右手推乙方胸部或其它部位， 这时乙胸部稍含，同时用左手向右横推对手的肘部，由于两力同时作用的结果，便产 生一个斜向的合劲，因而将对手的右手招法产生的劲力向我体右侧方向化掉，如图1(a) 所示；另一种形式是甲方用力向乙方胸部推来，乙方随对手甲方劲力的变化，用胸拥 住，同时身体向左或右转动，由于乙方自身身体动作的转动，也就改变了对手甲方的 劲力运使方向，也形成了一种斜合力，使甲方的手向乙方一侧滑脱，如图1(b)所示。在 实际运用斜合劲时，两种形式的劲力往往同时运用。例如在技击实战过程中乙方右手 抓住甲方衣领不放，甲方右手管住乙方右手，同时甲方左肘放在乙方右肘处，然后由 左向右转动，腰胯要求同时向右旋转，甲方身体重心随之下降，将乙方拨倒在地。 综上所述，斜合力是一种以横破直的技术，在对抗过程中可以有效制约对手的技 击动作发挥，使对手有劲用不上，不能发挥出正常的技术水平 1。 斜合力在太极拳中的应用十分广泛，例如“起势”的应用 5：当甲方用右手向自己 的左前方发动进攻，这时甲方产生一个向乙方的左胸垂直的推力，这时乙方就用双臂 顺时针画弧向右掤开对手的右手，产生一个向右的推力，这样应用斜合力，就巧妙的 5 化解了对方的攻势。 2.1.2 力偶的应用 在太极拳中，力偶有很重要的应用。力偶是指同时作用在同一物体两个不同的点 a、b上且方向相反的一对力，这一对力就被称为力偶。它的特性是既不能合成一个力， 又不平衡，能产生旋转的力矩，使得物体具备旋转的条件。 力偶在太极拳中有两种表现形式：一是两力同时作用在同一肢体上的a 、b 两点上， 力的方向相反，使肢体翻转或折断；二是两力同时作用在两个肢体上的a 、b 两点上( 注： 由于两肢体的相互接触，实际上形成了一个整体)，力的方向也相反，通过力的弧形化 解与转向，使一方翻倒或受控于另一方，如图3所示 1。 f1 1 f2 f2 f1 力偶在太极拳中应用广泛，例如“懒扎衣”式中 5，对手在自己右方，其双手搭在 自己的右臂上，其左腿在前右腿在后，自己右手往捧，对手则按住自己右臂，这时候 自己就可以让右手往左引，同时右腿往右方前进，插入对方的左腿的后面，左手往对 手的方向进，可以乘势拿住对方的右臂，右边的肩肘对对方的肋骨处施加一个向后下 方的靠的力，同时右腿往外对对手的左大腿处施加一个向前上方的力，这两个力组成 一对力偶，产生旋转力矩，使对方重心不稳翻倒。 在实际技击过程中，招法动作运用是复杂多变的，劲力的运使与发放也呈千姿百 态。不可能总是以某种单纯的合力的形式来发放对手，而是往往同时运用几种合力将 对手引进落空、推出或推倒，从而达到制胜对手的目的，这时候往往应用的是顺合力、 斜合力或力偶中的一种、两种或者三种，如何巧妙运用这些方法，关键是看练习者的 应变能力和功力程度。 2.2 杠杆原理的应用 图 3 力偶示意图 6 杠杆原理告诉我们，要想让一根受动力和阻力的杠杆平衡，必须使其动力矩与阻 力矩相等，即动力与动力臂的乘积等于阻力与阻力臂的乘积，用公式表示为 (3)12fla 式中，f 1为动力，l 1为动力臂，f 2为阻力，l 2为阻力臂，其示意图如下： f1 f2 l1 l2 支点 o 显然，若f 2大于f 1，要使杠杆平衡，就要使力臂l 1大于l 2。太极拳的四两拨千斤也 就应用了上述的原理，在阻力较大的情况下，让动力臂大于阻力臂，这样在对战过程 中就可以克服较大的阻力，实现小力胜大力的目标。 杠杆原理在太极拳的实战技击中也有很重要应用。例如在“撤步闪身抓腕后拉” 动作中( 如图 5 所示) 4，左图是甲方向乙方进攻的状态，其中 f 是甲向乙冲拳的力，v 是身体前移的速度，g 是重力，n l 和 n2 是支撑力，摩擦力忽略不计，稳定角bog 大于aog ，身体容易在力 f 方向失去平衡。此时重力作用线在支撑面内，可以保持 身体平衡稳定。当乙躲开甲的冲力 f 并顺势抓腕后拉时，拉力 f 与冲力 f 形成合力 p，该合力 p 产生使甲方失去平衡的力矩 ph，若 ph 大于 gl，则甲重心前移，右脚离 地，重力产生的恢复力矩 gl 不能使身体恢复到原来的平衡位置，随着倾倒的加剧， 重力对支点的力 l 不断缩短，恢复力矩的作用不断减少，当倾倒使重力作用线通过支 图 5 撤步闪身抓腕后拉 图 4 杠杆原理 7 点时，恢复力矩变为零，重力力矩(gb)则起着加剧倾倒的作用，在两倾倒力矩 ph 和 gb 的作用下，甲快速绕支点 a 向前倒下。合力 p 的大小，决定于两分力的大小和分力 间的夹角，夹角越小，合力越大。 综上，在太极拳的技击实战中，充分的利用好杠杆原理，有利于在对抗的过程中 得机得势，取胜对手。 2.3 惯性原理的应用 惯性是指一切物体如果不受外力作用，总保持静止状态或匀速直线运动状态的属 性。它是物体的固有属性，其大小仅与物体的质量有关，物体质量越大，惯性越大,运 动状态越难改变。同时，牛顿第一定律告诉我们，任何物体若不受其它物体的作用， 由于惯性，将继续保持其静止或匀速直线运动状态不变。 在太极推手中，惯性原理的应用表现为：起初双方处于静止状态，当自己利用一 种动作，使身体相互接触，并意欲加力于对方身上时，对方如果用大力抵抗，自己就 很自然地立即松手，在对方的动作上减少或者撤销自己的力，使对方落空，破坏对方 的静止状态，对方身体受惯性的支配，不由自主地继续前进而失去平衡。此时，自己 就可趁对方重心动摇，立即发劲击他。对方如果身体前倾并不甚猛，而正在挣扎，自 己还可以运用叠加力的原理，顺着对方迸击力的方向加力于对方身上，对方就很容易 失重而倒。 太极推手中的“引进落空”正是利用了惯性原理，又恰当地利用力的合力来达到 以小胜大的效果。例如，甲用肩背向乙胸“靠” ，乙则及时转腰闪身，使甲的靠力落空， 甲受惯性支配，身体继续向前扑而失去平衡，这时乙顺势在甲背后朝运动的方向一 “拨” ，使甲身体沿着运动方向产生加速度，跌得更远更快；又例如，甲方用左拳向乙 方胸部击来，乙方顺势向左转螺旋下沉，同时左手臂管住甲方左手腕，右手管住甲方 左肘部，借助甲方劲力的运使，向左后将甲方捋出。所以说，太极拳的“四两拨千斤” ，正是在充分、灵活的应用惯性定律的基础上，达到以小力胜大力的效果 7。 2.4 动量定理的应用 在物理学中，物体的质量与速度的乘积叫运动物体的动量，一般以m v表示，m 表 示质量，v表示速度。力和力的作用时间的乘积叫冲量，一般以ft表示，f表示力，t表 示时间。动量定理即：物体在时间t内动量的变化量等于物体所受合外力的冲量，一般 以 p=ft= mv2mv1，其中v 2指变化后的速度，v 1表示变化前的速度。 8 由动量定理可知，当对方的初速度一定时，末速度越大，速度变化量 v越大，则 动量的变化量m v越大，因此当施展的力的冲量f t越大，m v越大；要将一个人从 静止状态推出或击倒，达到很大的速度，可以用三种方法：用较大的力作用较短时间， 即将对方猛力击倒；用较小的力作用较长的时间，将对方缓缓推出；使力f和作用时间 t都增大 3。 太极推手以转动和移动对方身体为主要练习，为了移动对方，使其快速移动致失 重，或摔跟斗或腾飘，往往会应用这三个方法中的一种。第一种方法受年龄、体重、 力气等因素的制约，只有身高体壮者才能办到；第三种方法从理论上讲最省事，不过 随着年岁增长，太极拳练习者增大力气的希望会变小，这种方法也不合适；而使用第 二种做法时，力的作用不必太大，只要具有太极拳的“粘随”劲，牢牢的粘附在对方 身上，随对方实质性的劲力运行方向，微微用劲，似松非松、将展未展，以满足力的 持续作用及作用时间长的要求即可，而且这种能力会随着练习的深入而增长。 由此，我们得到结论：太极拳及太极推手讲究的是在用小力的作用下，通过延长 力的作用时间，达到最大的作用效果。 在太极推手中，增大作用时间的方法就是“极柔软”的操作，即一出手就要有意 识地粘住对方身上不间断地加力，以延长力的作用时间，从而增大动量改变量m v。 太极拳的发劲最讲究一个“透”字，透就是意味深长，人被放出，余意为尽。发放用 长劲，发前是拿，发时仍有拿仍有控制，力的作用时间并不短。发时，有力尽管爆发， 加上边发边拿，发时总不失拿，使力的作用时间尽量长，如此，f t就相当可观了，人 被腾空抛掷，情理之中 3。 上述方法在太极拳及太极推手中有很多应用。例如在中央电视台的探索发现 6 中，研究人员曾经对太极拳大师张志俊的出拳发力机制进行过缜密的研究，通过科学 仪器获得数据，并且进行对比分析，最后发现张老师打出的拳的力度最小，但是力的 作用时间很长，产生的效果很显著，这也正体现了太极拳充分利用动量定理，在较小 的力的基础上，通过延长作用时间，增加力的作用效果的特点。 当然，动量定理的应用是有条件的。动量定理适用于具备速度变化的物体。因此， 要把人推走有个诀窍，即乘势，乘对方的运动趋势即速度变化时加力。要抛掷人也要 观察到人有后退的预先动作，此时加力，力和力作用时间的累积才起作用。太极拳讲 得机得势，为的是创造动量定理适用的前提，为的是让力和力作用时间的累积起作用。 9 同时还要注意，在施发长力的过程中，对手的质量m 是个不可忽视的因素，由动量定理 可知，当f t一定时，对手的质量m越大，对手的速度变化量 v就会越小，这样就越难 达到效果。 2.5 “缠丝劲”的物理原理分析 在太极拳的发力过程中， “缠丝劲”非常的重要。 “缠丝劲”涉及到能量的转换， 一方面，腿部的弹力克服身体的重力做功，另一方面，肌肉的旋转拉伸、筋骨的旋转 起落开合释放能量，即旋转能量。太极拳正是通过整体发劲，将弹性势能、旋转能量 充分整合起来，将这些能量转化为力度，增加打击的能量。 下面我们就结合“掩手肱捶”这个例子来分析一下。 “掩手肱捶”的发力动作如下： (1) 发力前预备动作：左脚尖落于右脚内侧成丁步，两臂上下交叉相叠于小腹前， 掌心向下；上体稍右转，左脚跟擦地向左开步；上体左转，两掌内旋向两侧分开，高 于肩平，掌心向外。接着重心螺旋右沉，左掌外旋至体前，掌心向上，高与肩平，右 掌外旋变拳屈臂合于胸前，拳心向上，此时，要结合虚领顶劲、含胸拔背、松腰松胯 等技法，使脊椎和全身各关节螺旋松开拉长。 (2) 发力动作：右腿蹬腿拧腰，身体螺旋左转上升，腰椎合拢，裆劲扣住，蓄而待 发，如矢之待发，待劲力上升，身体拧紧到极点之时，也就是节节合紧之时，右拳突 然内旋转前冲，后重心左移，上体左转成左弓步。 (3) 发力后结束动作：发力后的神经、肌肉、筋腱的放松即为发力后结束动作(在 动作外型上则无明显变化)。 通过分析整个发力过程，我们可大致描述其能量转换的过程： 最初状态，运动员双腿压缩，身体的躯干螺旋拉紧，这时候左手前伸，右手也 是处于压缩状态，等待发力。可以说这时候运动员处于蓄能状态，腿部、躯干(包括脊 椎及附近的肌肉) 都发生了形变，腿部和右臂都积蓄了压缩的弹性势能，躯干积蓄了旋 转压缩的弹性势能。 在发力的过程中，腿部和右臂舒展，释放了压缩的弹性势能，同时躯干旋转的 能量释放了原来旋转拉紧的脊柱骨及附近的肌肉、韧带的弹性势能，同时增加了右臂 的动能，由于重心上移，在发力的过程中运动员克服了一定的重力势能，将剩余的机 械能转化为右臂打击的动能。 10 竖直方向上，发力释放的能量大小为： (4)211emghkx 其中mg是人体的重力，h是人体重心的位移，k是身体筋骨的弹性系数，x是在能 量蓄发互换过程中弹力在竖直方向上的位移。 在动作过程中有身体的旋转变化，那么就必然有旋转能量的变化，这个旋转是太 极劲的一个重要来源，不仅仅是肌肉的旋转拉伸，同时也包括筋骨的旋转起落开合， 这种螺旋缠绕在太极拳中称之为缠丝劲。根据研究证明，旋转能所释放的能量大小为 (5)222yzx1eh 其中h为旋转体的高度， xz， yz为剪应力。( yzx2 zxy2)是我们通过微元来代表参与动作 的部位面积，h 2(yzx2 zxy2)则代表了参与动作的体积，e 2代表了旋转产生的总能量。 所以，通过以上分析我们可以知道，参与旋转的压缩和拉伸的部位越多，同时旋转的 力度越大(在不损坏身体的情况下)，这个旋转的能量也就越大，这就是太极要求周身一 家、追求整劲的原理 2。 从上面的讨论可以得出结论：在释放能量的过程中，太极拳练习者通过整体用劲， 将积蓄的弹性势能和旋转能量有机的整合起来，转化为瞬间的冲力，这种冲力迅猛而 强大。这也是太极拳不同于其他拳种释放能量的特点。 3 硬气功中的物理原理 硬气功是中华传统武术的一朵奇葩，表演者腹上开石、臂断木棍、头断铁板的绝 技让人瞠目结舌。表演者为什么不会受伤呢？这些表演中应用到哪些物理原理呢？ 其实硬气功是表演者在通过自身的锻炼，加强肌肉硬度、骨骼密度的基础上，表 演时绷紧肌肉,使身体的肌肉变硬 10，通过巧妙的应用物理原理，达到炫目的效果。 下面我们就通过几个例子进行简单的分析计算来验证一下： 3.1 腹上开石 “腹上开石”表演示范如下：一位表演者躺在板凳或地板上，其腹部放着一块大石 板，另一位表演者抡起一个铁锤，向该表演者腹部的石板砸下去，表演的结果是：石 板被砸裂，而压在其下方的表演者安然无恙 9。这是为什么呢？下面我们运用物理原理 简单的分析计算一下。 11 表演中所应用到的工具是大石块和铁锤。该铁锤的手柄长度约为1米，铁锤的质量 约为5kg，铁锤从举起到落下、砸到石头上，铁锤砸到石头上时垂直于石板的线速度 v=11m/s，则铁锤打击石板一瞬间产生的动量大小约为 kgm/s (6)15pv 铁锤与石板发生碰撞的时间约为0.02s，由动量定理，我们可以得到铁锤打击石板的平 均冲击力约为 n (7)260pft 表演者表演时选用的石板面积约为0.21 m 2，石板的质量 m1=100kg。 根据以上的数据，我们简单的计算一下“腹上开石”表演中人承受的压强的大小 和石板在碰撞中的位移大小。 (1) 碰撞一瞬间人承受的压强 人在表演过程中受到的压强的平均大小约为 pa (8)12476.9fps 而人所能承受的压强大约为2.010 5pa 11，所以表演者所受压强在安全范围内。 最重要的是，在碰撞一瞬间，力的作用从碰撞部位向石块的四周扩散，扩散时石 板各部分都吸收了能量，石板各个点离碰撞部位距离不同，吸收能量的大小也不同， 所以石板各部位运动速度不同，对人腹部的作用力大小不同，离碰撞部位越远的地方， 作用力必然越小，压强必然也越小。 (2) 碰撞瞬间石块的位移 在碰撞的一瞬间，由于内力远远大于外力，整个碰撞的过程中系统的动量近似守 恒，碰撞后铁锤的速度近似为零，石板此时的速度约为 m/s (9) 2120.5 pvm 可见碰撞后石板的速度还是很小的。 铁锤与石块的作用时间约为0.02s，这时候我们就可以得到石块的位移约为 m=1cm (10)20.1svt 碰撞后石块的位移非常小，仅有1cm，而人的肋骨允许的最大位移为2cm，所以这 样的表演非常安全。 12 3.2 胳膊断木棍 “胳膊断木棍”示范如下 9：一位表演者拿着长度约为1.5米，截面半径约为2.5cm 的木棍，击打表演者的胳膊(木棍与胳膊的接触点离握棍处的距离约为木棍长度的 )，13 同时人的胳膊往下微微一沉，木棍断裂而胳膊无损伤。 下面我们运用物理原理简单的分析和计算。 (1)不同的击打点胳膊的受力大小 该圆柱形木棍的质量约为1.77kg，木棍从高处向下转动。碰撞时，木棍的角速度约 为 ，木棍的长度约为1.5m，对于碰撞点我们分两种情况讨论：2/s 胳膊与木棍碰撞点离握棍的一端约0.5m处时，木棍末端线速度为 3.14m/s，棍子 发生作用的质量约为整个棍质量的 ，碰撞时间约为0.02s，木棍角动量的变化量约为 23 kgm2/s (11)11.85jrmv 受力物体为胳膊，碰撞过程中胳膊平均受力大小为 n =18.9133 kg (12)1.3frt 胳膊与木棍碰撞点离握棍的一端约1.5m处时，木棍末端线速度为 9.42m/s，碰后 木棍速度为零，碰撞时间为0.02s，这时木棍的角动量变化量约为 kgm2/s (13)225.01jrmv 碰撞过程中胳膊平均受力大小为 n =85.068kg (14)283.67frt 比较可知，f 1f2，所以表演者在选择击打点时会选择离转心更近的点。 同时，在击打的一瞬间，表演者的胳膊会相应的往下沉，利用角动量定理进行计 算可得到往下沉的距离与碰撞时间、碰撞力大小的关系，如下所示： 碰撞时胳膊下沉距离(cm) 碰撞时间 (s) 碰撞力的平均大小(n) 4 0.04 63.13 7 0.06 38.81 9 0.07 31.28 表 1 胳膊下沉距离与碰撞时间、力大小关系 13 由以上数据可知，当胳膊下沉的距离越长，木棍与胳膊的碰撞时间越长，碰撞力 就会越小，因为胳膊下沉会产生较大的速度，下沉距离越大，胳膊与木棍碰撞的时间 就会越长，即缓冲时间就会越长，下沉过程中木棍相对胳膊的速度减小了，碰撞前的 角动量相对变小，这样下沉时碰撞的力度就会比不下沉时候的碰撞力度变小，所以表 演者在演示时会选择让胳膊往下沉的技巧，以便于减小碰撞力度。 (2) 木棍的受力分析 木棍击打胳膊的一瞬间，木棍受到三个力的作用：木棍击打胳膊受到的反作用力 fb、手握木棍向下的压力f a以及木棍未被握住的一端的惯性力f c，如图6所示。 fa fb fc 击打点 o 这三个力作用于木棍上的不同位置，其中f a、 fc分别位于木棍两端，而击打反作用力 fb位于离手握木棍 处。13 碰撞时木棍因断裂而离开碰撞部位的那部分角动量约为 kgm2/s (15)3327.41jrmv 则木棍该部分的惯性力大小f c约为 n=37.81kg (16)30.52frt 对于击打点o处，f a、f c形成不同方向的旋转力矩，而且这两个旋转力矩必然大小 相等，否则木棍与胳膊碰撞时不会断裂，因此f a的大小约为f c大小的2倍，即 n=75.62kg (17)2741.0ac fb就是 (