高空走钢丝转呼啦圈

命悬一线--

钢丝绳上力的平衡上海市力学学会科普工作委员会编著：韦林，9/22/2021湖南经视在2015年元旦直播由新疆达瓦孜第七代传人赛买提挑战高空钢丝72小时极限生存实况。赛买提在这次极限挑战中首次展示新创各项绝活：从地面走一根40度斜坡钢丝到50米高度的高空、高空走钢丝转呼啦圈、高空站立椅子、脚踩水桶走钢丝、高空倒立等节目。这档《72小时命悬一线--绝地生存》节目充满着许多力学应用的悬念，故电视台特邀我学会韦林教授为全程27小时的力学专家解说。这次赛买提不但要在钢丝绳上表演各种高难的惊险动作，还要无任何保护在钢丝上生存72小时，吃喝拉撒睡都在钢丝绳上完成。这样的挑战不说后无来者，肯定是前无古人。孤独、疲劳、黑夜，高空晃动各种生理和心理的极限也将考验着赛买提。稍有不慎，后果不堪设想。这次的绝地生存大挑战中又会有那些可关注的力学问题呢？1、为什么赛买提可长时间站在高空的钢丝绳上，而不摔倒？根据力学平衡的原理，走钢丝的人，要使自己身体重力作用线通过支撑面指向地球中心，这支撑面就是钢丝绳。钢丝绳很细，给人的支撑面极小，要使身体重心恰巧落在走的钢丝绳点上就变得非常困难，一旦不能找准平衡点，身体随时有摔下去的危险。当身体摇晃时，走钢丝的人往往摆动两臂，使

身体重新站稳。两臂的摆动，是在调整重心作用线，使之通过支撑面，以恢复平衡。他们手中还常拿着长长的平衡杆，或者花伞、彩扇等，这些物品起着“延长手臂”的作用，是帮助身体平衡的辅助工具走钢丝的人在行走时分为：平动和转动运动，平动可通过重心位置来平衡，而转动要使用手中平衡杆的力矩来平衡。平动转动力学平衡—力矩原理走钢丝的人摆动两臂，或者使用长长的竹竿、花伞、彩

扇等，来帮助身体的平衡，主要是借助力学中力矩的原理。

力作用的矩心越远产生的转动效应越大(举例：板手与撬棍)，阿基米德曾说过“如果给我一个支点，一根足够长的硬棒，

我就能撬动整个地球”。走钢丝人的鞋底与钢丝之间必定存在摩擦力，否则会滑倒，这个极限摩擦力Ff等于正压力FN乘以摩阻因数d(Ff

=FNd)，则正压力越大，极限摩擦力就越大，在钢丝绳上行走时会产生加速度a，则满足牛顿第二定律：摩擦力与ma相等，这时就满足摩擦力的平衡。FfFNmaP1、为什么赛买提可在高空的钢丝绳上行走，而不滑倒？0当人踩着钢丝上走行时，身体发生偏心后就会产生一个偏心的力矩，为避免失稳，走钢丝绳的人就会将手中所持平衡杆(伞)来移动、或张开一侧手臂，这样就可产生一个反转向的平衡力矩来保持人体的稳定状态。Px10PWx1x20P0PWM1M2稳定：人在钢丝绳上就同一个倒立的单摆，虽然在重力作用下能被平衡，但只要给它一个小小干扰力(风、振动)就会倾倒，这种人在钢丝绳上的平衡称：不稳定的平稳。P0P0F随遇的平稳稳定的平稳不稳定的平稳PW0a1a2在空旷的高空中，当风吹拂着行走钢丝绳者的身体时，人会产生晃动造成转动力矩，这时行走钢丝绳者应相应转动手握的长长的平衡杆产生反向力矩来平衡高空中的身体位置。例：行走钢丝绳者的体重约70千克，身高约1.8米，设他的重心至钢丝0的距离：1.2m，则身体对O轴的转动惯量J01=70kg．m2；平衡杆重27千克，长12米，杆至脚距离也为1.2米，相对于0轴的转动惯量J02=363kg．m2。可见J02≈5J01。当行走钢丝绳者被风吹动时，只要通过双手调整平衡杆的位置产生新的转动惯量就很容易满足定轴转动的动量矩守恒定理，保持空中人体的动平衡。3、风吹着赛买提在高空的钢丝绳上晃动，他安全否？根据动能定理，可以算出行走钢丝绳者从0.5度偏摆到5度，持杆时所需时间约为不持杆的两倍多。可见，持杆既有利于他行走速度的缓慢平稳，又减缓了上述由于重心侧向偏移引起的失稳，为他及时调整重心恢复到平衡位置赢得了宝贵时间。➢如何可减小钢丝绳摆动的速率？行走钢丝绳者手中的平衡杆可有效的减小钢丝绳摆动的速率。如：他的体重约70千克，身高约1.8米，设他的重心至钢丝0的距离：1.2m，则身体对O轴的转动惯量J01=70kg．m2；平衡杆重27千克，长

12米，杆至脚距离也为1.2米，相对于0轴的转动惯量J02=363kg．m2。PW0w1w2FfFNP4、为什么走钢丝的人可走上这个斜坡钢丝绳？但当人行走在倾斜的钢丝绳上时，正压力会变小，而向下的推力却增加，当倾斜夹角临界达到一个角度时，鞋底与钢丝之间就会滑动，这个角度称为极限摩擦角，当倾斜夹角不于极限摩擦角时，人就可自锁在斜面上，当钢丝绳的倾斜角超过这极限摩擦角时，人就不可能在钢丝绳上站立而发生滑动。所以人是可行走在倾斜角小于极限摩擦角的钢丝绳上，但是必须有高超的平衡术。长距离行走还有肌肉疲劳问题5、赛买提脚踏铁桶行走在高空的钢丝绳上有什么难度？赛买提双脚套上铁桶之后，桶底的光滑铁皮材质踩在钢丝绳上的摩擦力会变小，挑战者行走起来，一但打滑，很容易从高空摔落造成伤亡惨剧。同时柔软的底鞋变成硬的铁桶底，挑战者行走时无法感知钢丝的中心位置，要在高空维持平衡的状态是需要非常敏捷的身体平衡协调能力。目前，双脚套铁桶走钢丝绳仅仅是赛买提一人能掌握的独门绝技。6、走钢丝绳时转呼啦圈的力学分析在平地上转呼啦圈，转的越快，呼啦圈越不容易向下滑。转得慢了，呼啦圈就会滑落。同样，在钢丝上，赛买提想要转好呼啦圈，就不能转得太慢。但是，转得越快，呼啦圈产生的离心力也越大，这个力直接作用于人的腰部，很容易使人体重心产生偏移。所以，在钢丝上转动呼啦圈同时，应同步调整手握的平衡杆的位置与夹角，控制离心力的影响，减小身体产生偏移，避免失去平衡，跌落地面，满足重力、力矩、惯性力的平衡，这个难度要求非常高，是高空走钢丝领域内最顶级的极致平衡术。FI这是倒悬复摆系统，只要重心和力矩稍不平衡，或者有一个小小的干扰力就会失稳，造成无法避免的翻倒事故。7、赛买提站在高空钢丝绳上椅子会安全吗？W0FP8、赛买提在高空的钢丝绳上倒立，为什么双脚要分夹？P0W2x1x2W1x双脚分夹后可调整两脚的重心位置，满足重力与力矩的平衡方程。9、长时间待在晃动的高空钢丝绳上,身体会有不适感吗？架置高空的钢丝绳其实是在不停的晃动，我们肉眼不容易看见，但是用力学监测器是很容易测出来,钢丝绳是柔性结构,在风作用下会产生震荡,这个震荡力会一直对钢丝绳上人的身体产生影响。这个作用力严重的话，会引发人的呕吐、眩晕。因为振荡的频率与人的肠胃、大脑、耳朵或者某些器官的频率相近时，特别共振时钢丝上振荡力直接影响着他的肠胃、心脏、大脑产生不舒适感,为什么有些人会晕车、晕船就是这个原理。所以，赛买提在高空钢丝绳上面的72小时生存是非常不容易的，需有健壮的体魄与坚强的毅力.10、能否可让高空的钢丝绳减小晃动？人行走在钢丝绳上，或风吹着钢丝绳和附属的人体都会对空中悬挂的钢丝绳产生激振，当这个激振频率与悬挂的钢丝绳固有频率相近时就会共振的效应，共振的振幅将极大的危急钢丝绳上人体的安全，并造成整个活动的失败。共振的状况是非常复杂的，避免共振措施应因地制异来确定方案，但按力学基本概念可知，风与行走人激振悬挂的钢丝绳的频率通常是低频，所以只要将悬挂钢丝绳的张拉力抽紧和尽量