奥运落幕，历史上有哪些被物理耽误的体育狂

四年一度的奥运刚刚落下帷幕。回顾本届奥运会，开幕前，奥运的筹备与推进工作就受到了各方的关注。随着奥运帷幕的正式拉开，各国健儿们也在体育场上为我们呈现上一场别开生面的体育赛事。

不过，历届奥运会可以各有不同，但是掌控各项运动的基本规则却始终不变，那就是物理。实际上，很多物理学家也是体育狂，我们来扒一扒他们热爱的运动，以及其中的物理原理。

把量子粒子比作足球的人

这位物理学家获诺贝尔奖时，一家媒体的新闻稿标题是这样的：授予足球运动员尼尔斯・玻尔诺贝尔物理学奖。

玻尔出生时，现代足球在丹麦还是个新事物，但是他父亲把这项运动介绍到了当地，并且建立了一个足球场，每次去的时候都会带上两个儿子：玻尔和哈那德。这导致玻尔从小就热爱足球，并且在年轻的时候参加了职业足球比赛。他曾担任 AB 哥本哈根足球俱乐部足球队的守门员，该队是 20 世纪初丹麦最著名的球队之一。后来成为数学家的弟弟哈那德甚至还作为丹麦国家足球队的一员参加了 1908 年的奥运会，并最终夺得了银牌。

最终觉得做题比守门有意思的玻尔放弃了足球，选择进入哥本哈根大学主修物理学，不过在校期间也担任了大学足球校队的守门员。在他专注于专业研究时发现，足球和电子遵循完全不同的运动规律，那么大小就一定产生了影响。玻尔开创的量子力学帮助我们理解微观世界的奇妙现象，而经典物理却能解释玻尔热爱的足球这个宏观物体的运动。不过，宏观的足球运动起来好像也不是那么容易预测。1997 年，巴西足球巨匠罗伯特・卡洛斯踢出的任意球以匪夷所思的路线飞进球门，震惊世界。

根据牛顿第一运动定律，任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。当球员踢球时，给了球运动的方向和速度，但是什么力量使球转向？香蕉球的关键就在于“旋转”，球两侧空气流动速度的差异，改变了它的运动路线。球在空气中穿行，迎面气流从球的周围流过。左侧逆时针自转产生的气流与迎面的气流相叠加，因而气流流动的速度变快。右侧顺时针自转产生的气流抵消了一部分迎面气流，因而气流流动的速度变慢。

根据伯努利定理，左侧压强小，右侧压强大。气流就产生了从右向左流动的趋势。再根据马哥努斯效应，左右的压强差使球产生一个横向力，这个力使球最终向左运动，飞入球门。

屈居第二的诺贝尔奖获得者

这位是前面那位足球爱好者的学生 —— 沃纳・海森堡。

海森堡性格外向，他不仅在学术上富有成就，还擅长音乐、语言、登山，以及乒乓球。据称他打遍莱比锡大学无对手，而且争强好胜，直到 1928 年，一个中国留学生慕名来到德国跟随海德堡学习量子理论，从此以后，海森堡的乒乓球水平从全校第一变成了第二。而这个学生就是周培源，也就是杨振宁的老师。周培源敬佩这位年轻教授在物理学方面的才华，海森堡也非常认可周培源的学识，两人年龄相仿且同样非常喜欢打乒乓球，相处十分融洽。周培源赴美讲学前，甚至还举办了一场乒乓球赛联欢茶话会。后来海森堡多次在公开场合盛赞周培源的品行、工作态度、学术素养，以及让他念念不忘的乒乓球技术。

说到乒乓球，就不得不说它独有的旋转。乒乓球在任何给定的方向上都可能有相当大的旋转，而选手使用旋转主有两个原因：首先，与不旋转的球相比，旋转的球有着完全不同的轨迹，这使得球能到达不旋转就无法到达的角度和位置。其次，面对旋转的球，对手更难做出反应。

如果你面对的是上旋球，接球时，球会给拍面一个向下的摩擦力，拍面会给球一个向上的反作用力，所以你接住的上旋球容易飞上天。

如果你面对的是下旋球，接球时，球会给拍面一个向上的摩擦力，拍面会给球一个向下的反作用力，所以球容易钻网底。

还有一种奇特的现象，如果下旋球弹到了球台上，会给球台一个向前的摩擦力，球台给球一个向后的反作用力。如果球的速度够快，球可能会向球网方向倒退。

球的旋转主要是靠球和胶皮之间的摩擦力产生的。正胶面颗粒向外，打出的球转速慢但是球速快；反胶面颗粒向内，打出的球转速快球速也快。

仰望星空的掌舵人

牛津大学的赛艇队有近 200 年的历史。有位我们意想不到的物理学家曾是牛津大学赛艇队的一员（下图右一）。他担任的是舵手，从图上看起来，他确实不是一个健硕的人。

但你一定也想不到，他就是当代最伟大的物理学家 —— 史蒂芬・霍金！虽然我们印象中霍金几乎一生都是被困在轮椅上的，实际上，他在患上肌萎缩侧索硬化症之前，曾是牛津大学赛艇队的一员。由于舵手不参与划桨，身材瘦削又大嗓门的霍金就成了舵手的理想人选。

能够入选舵手，霍金还真是占了身材上的优势。赛艇可以说是水上运动速度最快的项目，人和器材的自重是影响赛艇速度的关键因素之一。自重越大，向前划行时需要克服的阻力就越大。而器材的重量有严格规定，比赛前各队会对赛艇自行称重，如果重量低于标准，就要加铅块来增重。要想有效减轻重量，就只能从人的体重下手，所以就打起了不参与划桨的舵手的主意。1900 年奥运会上，为了夺冠，荷兰队甚至用一位 7 岁的法国男孩替下了原本是成年人人的舵手，就是为了减轻重量，从而减小赛艇行进的阻力！不过，为了杜绝这种现象，现在的赛艇比赛规则已经改变了。赛艇一开始并不像现在这样“苗条”，外形在演变过程中慢慢变窄，现代赛艇的宽度八人艇 57 厘米、单人艇仅有 30 厘米，也是为了减小水的阻力。另外，赛艇的桨原本是一个费力杠杆。1846 年，英国人在赛艇的两侧安装了延伸到艇外的桨架，增加了桨的长度，大大延长了动力臂。这样一来，运动员使用比较小的力，艇也能获得较大的动力。这些举措，都助力赛艇成为水上项目的速度之王。

物理界的运动狂人可远不止他们 —— 卡尔・萨根在中学时期曾是校篮球队队长。爱因斯坦是健走的狂热爱好者，每天走 5 公里去上班。不过，他比特斯拉差远了。极为自律的特斯拉每天健走 12 至 16 公里。国际著名核能科学家钱伟长擅长田径。参加过全国大学生运动会，获得 100 米栏前三名。…… 以研究运动规律著称的物理学家牛顿此次却并没有上榜，实在是小编还没找到他喜欢什么运动，不过也不妨碍他的理论能指挥各项运动。

参考资料

• [1]https://davidson.weizmann.ac.il/en/online/sciencehistory/scientist-who-found-difference-between-quantum-particle-and-soccer-ball [2]https://gregsttpages.com/archives/general-articles/the-basic-physics-and-mathematics-of-table-tennis/ [3]https://davidson.weizmann.ac.il/en/online/askexpert/physics-table-tennis-aka-ping-pong

• [4] 央视纪录片《我的牛顿教练》

• [5] 图书《我的牛顿教练》

• [6]《我，海森堡》

• [7]《物理》2010 年第 2 期，《海森堡与中国物理学界》金忠玉、王士平西班牙《趣味》月刊 1 月号

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