大「力」出奇蹟︰扒龍舟划出力學原理｜星島教室
2024-10-24 12:26 
「咚！咚！咚！」每年農曆五月初五，端午節的慶祝活動不僅僅是品嘗糭子以紀念偉大詩人屈原，更是人們走到河邊兩岸，欣賞那激動人心的划龍舟比賽。其實划龍舟與物理學看似風馬牛不相及，卻有着意想不到的深厚聯繫。在這波濤洶湧的水面之下，潛藏着科學的奧秘，正等待着我們去探索與理解。划龍舟是力量與耐力的結合，更是物理學原理在實際應用中的活生生例子。從力學到穩定性，再到流體力學，它的每個細節都與物理學緊密相連。
力學原理解構
在划龍舟的過程中，運動員施加在槳上的力量是推動船前進的主要動力。根據牛頓第二定律，物體的加速度與施加在其上的力量成正比，且與物體的質量成反比。公式為：F = ma
其中，F是施加給龍舟的力；m是龍舟和運動員的總質量；a是龍舟的加速度。這意味着，施加給龍舟的力越大，而龍舟和運動員的總質量越小，它的加速度就越大。
1.增加施加給龍舟的力
- 可增加運動員的肌力訓練，使他們更用力去划水。
- 可加強運動員划水動作一致性的訓練，使他們產生更大的合力。
- 運動員握槳時，一隻手扣於握柄上，另外一隻手則握於槳葉上方約半個手掌位置，這樣可產生較大的力臂，力臂越大，力矩越大；力矩越大，當槳入水時，水給龍舟的反作用力亦會越大。公式為︰M = F × d
其中，M是力矩；F是運動員施加的力；d是力臂。
- 運動員划水時，把手臂和身體盡量向前使力，增加槳的入水點和出水點的距離，這樣亦可增加力臂，增加力矩，增加水給龍舟的反作用力。
- 槳面在入水時的速度要快於龍舟本身的移動速度；划水時，槳面要與船身垂直，這樣槳面的水阻力增大，水給龍舟的反作用力亦會越大。
2.減低龍舟和運動員總質量
- 嚴格管理運動員的體重。
- 舵手盡量選體重輕的。
穩定性與平衡
在水上運動中，船的穩定性至關重要。由於龍舟的外形比較狹長，故它在水上的支撐面積較小，在移動時，若遇到不穩定水流，或是比較大的水浪，很容易會讓它的重力投影落在支撐面以外，這樣龍舟就會翻側。因此，在安排運動員位置時，左右兩排的總體重必須相若，這樣就可以確保龍舟和運動員的總重力投影會落在支撐面的中心位置，這樣龍舟就不容易翻側了。
當然通過控制運動員的姿勢和力量，保持他們身體的重心在船的中心線上，亦可以有效避免船的傾斜，從而保持穩定。
流體力學
划龍舟時，槳葉和龍舟都會在水中移動，它們必然會引起水流的改變。流體力學能夠告訴我們這些水流的改變，如何影響槳葉和龍舟在水中所受的阻力和推力。
1.流體阻力
當槳葉和龍舟在水中移動時，會遭遇流體阻力。流體阻力的大小，分別與水的接觸表面積、移動速度，以及水的黏度有關。通過改良槳葉和龍舟的外形設計，使其更加流線型，可有效降低流體阻力，從而提高龍舟的移動速度。
2.壓差
槳葉的形狀和入水角度亦會影響水流的速度分布。根據伯努利原理，流速越快的地方，壓強越低。合理的入水角度能夠使槳葉周圍的水流速增加，從而在槳葉後方產生更低的壓強，進一步增強推力。
划龍舟這項運動蘊含的物理學原理，不僅讓我們更好地理解運動的本質，也為提高運動員的划水效率提供了科學依據。從力學到穩定性，再到流體力學，物理學在划龍舟中的應用無處不在。通過深入研究這些原理，運動員可在訓練和比賽中更有效地運用力量和技巧，提升整體表現。划龍舟不僅是一項傳統體育活動，更是一場科學與文化的交織，讓我們在享受運動樂趣的同時，亦感受到物理學的奇妙。
包糭冷知識
為甚麼糭子是正四面體的？為何不能是立方體、長方體或球體？其實糭子的形狀大有考究，可以從用料和穩定兩方面作解釋。
假設一隻糭子的邊長是x cm，該糭子的總表面面積可由公式求得。換句話說，我們需要cm2的竹葉來包裹糭子。若以同樣大小面積的竹葉來包裹立方體的糭子，該立方體糭子的邊長是0.537x，只有原來的一半，看起來不夠得體。再者，如果你曾經包過糭子，你會發現只須使用2塊長長的竹葉便能包好糭子，而且能包得滴水不漏，但若糭子是長方體或球體，我們需要3至4塊竹葉才能把糭子包好，這樣不止浪費材料，而且大大加重了包糭子的時長。
另外，正四面體是一個非常穩定且堅固的結構，使糭子更不容易變形。相信大家都知道，在眾多平面形狀之中，三角形的穩定性最高。在日常生活中，使用三角形結構的例子隨處可見，例如衣架、棚架、三腳架、工地用的吊臂機、橋樑等等，而由多個三角形面組合而成的建築，更是經過多年風吹雨打都仍然屹立不倒，例如埃及金字塔、巴黎艾菲爾鐵塔等等，由上述的例子可見，正四面體的結構最能保證受力均衡。你可能會好奇，包糭為甚麼要如此講究？隨便包一包不可以嗎？當然可以，但我猜你也不希望蒸糭時，糭子在鍋內散開，然後擺在碟上東倒西歪吧。
由此可見，包糭是一門巧妙的技藝，由用料到包裹方式都經過多方面考量，不得不佩服古人的智慧。
小思考，大智慧
在龍舟比賽中，有人在前頭打鼓，有人在奮力向前划，但原來還有一個默默在船尾，動作不大，卻是整艘船的靈魂人物，他/她就是「舵手」，你知道舵手的主要工作是甚麼嗎？
參考答案
舵手最主要工作就是控制龍舟的方向，讓龍舟前進時保持直線，稍有偏移就要馬上調整；舵手須隨時觀察水流與風向，視乎潮汐而調整位置，確保龍舟直線前進時不會偏移，這個崗位需要非常高超的技術。
本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。
文：裘錦秋中學（屯門）助理校長、物理科科主任張家榮、裘錦秋中學（屯門）數學科科主任原禧朗
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