杂技中的力学
杂技中的力学
在各种各样的杂技中，蕴含着丰富的力学原理，利用力学原理不仅保证了杂技的安全性而且可以让演员最大限度地展现杂技的精彩之处。
走钢丝
高空走钢丝是典型的物体平衡问题，主要利用了物体共点力平衡和力矩平衡的原理。这是一种有支轴的平衡(轴即双足)，其中心在支轴的上面，是一种不稳定平衡，重力的作用线稍稍偏离支轴，即可产生一个倾覆力矩，演员就有掉下来的危险。演员通过手持长竿解决这个问题。
用长竿保持平衡的高空走钢丝
运动员手持长竿，一方面由于长竿的质量较大，有助于保持人与竿的质心位于平衡位置。另一方面，竿的转动惯量较大，可大大降低演员摇摆时的角加速度，给了演员充分时间调整自己的平衡。
2000年12月31日，“高空王子”阿迪力在上海的中环商务大厦之间成功地表演了高空走钢丝。在实际表演过程中，演员不仅需要很好的心理素质，力学知识也同等重要。在户外高空，演员还需要同不稳定的空气流展开搏斗，必须能灵敏的估计出自己的受力情况和相应需要改变竿状态幅度。
相比之下，空手走钢丝具有更大的难度，但原理是一样的。
气功砸碎石
杂技表演中在演员的头上放几块砖，另一演员举起铁锤用力砸下去，顶砖者却安然无恙。
气功砸石
人的颈项，具有一定的弹性，据此可用一根弹簧作为力学模型，设其弹性系数为k，每一块砖的质量为m，如果表演者头上顶着n块砖，整个表演可简化为:弹性系数为k的弹簧固定于地面，其上方压着n块质量为m的砖块，现用铁锤向下猛击砖块，设力为F，上面块砖对弹簧的作用力即为人的颈项承受的压力。在打击之前，设弹簧对转的支持力为f= nmg(1)。击打n块砖的瞬时加速度为a= F/nm(2);设第n－1块砖对第n块砖的作用力为N，则对第n块砖有N－F+mg=ma(3)。
由(1)(2)(3)式可解得
N=(n－1) mg+ F/n(4);
也就是说人的颈项所受到的作用力不是nmg+ F，而是nmg+ F/n。n越大则所受压力越小，而砖越多越安全。
另一方面，头上放砖块增大了接触面积，减小了压强从而保证了演员的安全。
“踩不碎火柴盒”
少年朋友，你看过“踩不碎火柴盒”的表演吧。
给你一盒火柴，把装火柴的屉抽出来，将空盒皮竖立在地上。请你用一只脚踩到火柴空盒上，来一个“金鸡独立”。猜猜看，火柴盒能支撑起你的身体吗?
有人说:能。
有人说:不能。(https://www.daowen.com)
你可以做一个实验。第一次实验产生的结果，大多是火柴盒受压歪倒在地，这是因为火柴盒的皮子是一个矩形，这是不稳定的形状，所以容易偏斜。此时火柴盒只是被压扁，而不是被压弯，木片并没有被压断!
如果谁能练出了一身功夫，当他的脚踩到火柴盒上的时候，能够控制住自身的重心，身体不晃动，火柴盒也就不会偏、斜。这时，你会看到一个奇迹:这个火柴盒居然能支撑起一个人的体重。
也就是说，50多千克的重量压不断火柴盒的小木片。这恐怕是出人意料的事，然而，却是经过力学测试得到的准确答案!
上面这个表演，有人把它说成是“气功”，却不是真正的气功。只要你的腹部和胸部能撑起几百千克的石头，那么，你就能表演“胸上碎石”;只要你善于平衡，那么，你就能表演“踩不碎火柴盒”的轻功。
空中飞人
演员在乘秋千空中飞翔的过程中时刻进行着重力势能与动能的转化，荡秋千达到最高点时动能全部转化为势能，此时演员脱离秋千被另一演员接住，因为速度几乎为零，所以是相对安全的。
其实生活中不仅是杂技，力学运用几乎遍布生活的每个角落。因此一方面我们要学会透过现象看本质，另一方面要学会运用科学原理指导实践，令生活实践更加安全与精彩。
［举一反三］
你知道吗?跳水运动员在空中抱成团状可减小转动惯量从而加快转动速度，使动作更加精彩优美。
空中飞人
钉山打石
钉山打石，又叫胸前开石，它是我国杂技艺术中的“硬功”。
抱成团状的跳水运动贺
表演场上，灯光明亮。鸦雀无声。一个十一二岁的小女孩正在绕场“运气”，只见她走到场内中心，一个亮相，用布塞住嘴，将脖子用布条扎紧，然后躺在垫子上，身上盖上一条垫子，接着两个彪形大汉抬来一个大石碾盘，压在小姑娘身上。四个彪形大汉各抡一柄大锤，轮番捶击碾盘，盘碎人出。小演员微笑着向观众招手，场上掌声雷动，这就是钉山打石。若是压在碾盘下的是一彪形大汉，则大汉光着上身，躺在铁钉朝上的“钉山”上，上压碾盘，还要经得住彪形大汉们的轮番捶击直至盘碎，可谓惊心动魄也!
演出的高潮当然在四个大汉轮番捶击碾盘的刹那，随着捶击声声，观众的心也一阵紧似一阵，人家都为千斤碾盘下的小演员捏一把汗。其实，人家的担心是多余的。四个大汉捶击的是碾盘而不是小演员，对小演员来说，捶击造成的威胁相当微小。
碾盘是相当沉的，几乎接近千斤，锤子的重量是碾盘重量的几百分之一。当锤子猛击碾盘，在力学中叫碰撞。假如锤子的重量是碾盘重量的1/400，锤子猛击碾盘一刹那的速度是相当大的，但碾盘产生的向下速度仅是锤子速度的1/200，可以说接近于零。而且碾盘越大越重，捶击造成对小演员的威胁就越小。
钉山打石
四个大汉轮番猛击碾盘，对小演员来说无损毫毛。猛击碾盘时如此大的动作能量(在力学中叫动能)哪里去了呢?原来，这动能都消耗在打碎碾盘上了。大碾盘由石料制成，石料是脆性材料，它经不起捶击，于是给它十下八下的也就碎了。尽管四个大汉轮番捶击对小演员没有多大威胁，但是，没有一身功夫谁敢躺在钉山之上，碾盘之下呢?这里既有运用气功承受碾盘压力和经得住钉山之苦的真功夫，又有应用力学碰撞原理的“假本领”。钉山打石既是体育表演，又是艺术表演、科学表演。
