荡秋千的学问

周岷 主持

我妹妹很会荡秋千，我看到她站在秋千上，不用人推，只是往前那么一蹬，然后再往后那么一扯，秋千就越荡越高了。但我有一个疑问：我没有看见任何外力的作用，秋千却荡得越来越“有劲”，这是怎么回事呢？

——读者逸明

我特别想说，等你学了高中物理就会明白。不过这样的回答是不是貌似太敷衍了呢？好吧，我尝试做一些尽可能“通俗易懂”的解说。

现在让我们在脑海中给你妹妹在秋千上的动作来一个“慢镜头回放”，你会发现：当秋千往前摆的时候，她在秋千板上做了一个由下蹲的姿势转向站起来的动作，在秋千摆到最高处时，她完全站了起来；当秋千开始往回摆的时候，妹妹一定是开始弯曲膝盖，逐渐蹲了下来，并在秋千摆回到中点的时候，蹲到最低；其后，秋千开始向后摆，这时妹妹再次站起身来……仔细回想一下，你所说的“往前一蹬，往后一扯”，实际上就是这样一个不断重复“蹲—站”的过程，对不对？

你现在已经学会用“力”来解释观察到的物体运动，很快你就将接触到另一个概念：能量。举个简单的例子吧。你把一个球往上抛起，你给球施加了力，于是这个运动起来的球就具有了某种能量，使它越飞越高，这种能量叫做“动能”；但这个球越飞越“没劲”，飞到一个高度以后就再也飞不上去了，是能量消失了吗？不，是动能转化成了“势能”，球的位置越高，它的势能也越大，在最高点达到了最大。接下来会发生什么？当然，球掉了下来，而且坠落得越来越“有劲”——没错，你肯定也知道了，这是势能又转化成了动能。

再回到妹妹荡秋千的场景。运动起来的秋千带着妹妹向高处摆去，这就是一个“动能变势能”的过程，当摆到最高点的那一瞬间，势能最大，而动能为零。现在我们假设妹妹一直蹲在秋千上没做任何动作，那么此时秋千“势能变动能”，开始从这个最高点往回摆，而回摆的幅度，就算没有任何阻力，最多也只能摆动到跟刚才那个最高点一样的高度。

但是妹妹很聪明，她站了起来！这样一来，“秋千板+妹妹”这个“摆锤”的重心自然比不站的时候高了一点，等于是给原本已经达到“最大”的那个势能又加注了一点额外的势能。当秋千下落（回摆）的时候，就能转化出更多的动能来，更多的动能就能把秋千推得更高……如此循环往复，妹妹就成了“秋千达人”！

你说你没有看见“外力”的作用，这话其实也没错，不过妹妹会告诉你，荡着秋千飞来飞去除了开心之外，其实也蛮累的——实际上，妹妹的每一次下蹲和站起，都要消耗体力，也就是体内的化学能，这些能量又跑哪里去了呢？想必你现在也应该想到了，它们转化成了秋千“再高一点点”的那一部分额外的势能。