给宇航员出主意

宇航员在航天器中处于失重状态，和猫在下落时的情况是一样的。宇航员必须在漂浮状态下（舱内或者是舱外）完成各项任务，这时宇航员的动作将和地面上的动作有很大的不同。在地面上，如果你想取得身后的工具，不管你是坐着或站着，转身伸手去拿就是了。然而在失重的漂浮状态下，这件事却不那么好办，当你的上半身向右转动时，你的下半身竟向相反的方向转动，你根本无法实现向后转体的动作！因为在失重状态下外力对质心的力矩为零，人体对质心的动量矩守恒。如果初始

动量矩为零，那么一部分身体的转动必然伴随着另一部分身体的反向转动。但是如果研究了猫的翻身，就能设计出好几个动作方案来实现失重漂浮状态下的静止转体。首先，可以采用“弯腰论”方案。宇航员弯腰向前，再像体操中腰部运动那样让上半身作圆锥运动，全身就会向相反方向转体，蹦床运动员表演的节目中就有这种动作。这种方案要求宇航员腰部有很好的柔性与灵活性，而且也不是日常生活中的自然动作，对非运动员来说总显得苯拙，不一定是一个好方案。

其次，亦可用手臂动作来实现转体。在图 5 中人站在转台上，转轴铅直且轴承处摩擦可忽略不计，这样人体绕铅直轴的运动就可以模拟宇航员在漂浮状态下的转体运动。双臂侧向平伸，再向右转动（图 5（a））。由于动量矩守恒，下半身将向左转动，人体处于扭转状态（图 5（b））。不过由于对铅直轴的转动惯量不同，下半身的转角比上半身的要大得

多。最后收臂并恢复到非扭转状态，这时下半身要向右转，但因收臂后身体上半部与下半部转动惯量相差不多，所以下半身向右转的角度不 大，最后的结果是人体向左转了一个角度（图 5（c））。显然，这种动作实质上是猫翻身的“四肢开合论”的再现，实现起来，比“弯腰”要容易得多。问题是，做这样一轮双臂动作，人体究竟能转过多大角度？ 有人作过计算，为实现转体 180°，双臂可能要动作十次，这主要是因为双臂的质量较小。

第三种方法是一种更简单的方法。仍以站在无摩擦转台上的人为 例，当受试验者举起手臂在头上作圆周运动时，由于整个人体对铅垂轴的动量矩为零，躯干必向相反方向慢慢转动（图 6）。当手臂的圆周运动停止时，躯干的转动也就停止。用这种方法也可使躯干绕纵轴转过任意角度。显然，这种方法是猫的“转尾巴”的再现，只不过人没有尾巴， 用手臂代替而已。考虑到手臂如何动作方便，也为了提高转体的效率， 可以将上述动作稍作修改，成为图 7 的动作。两手臂在身体的两侧作圆锥运动，转动的方向相同，这时躯干必绕纵轴向相反方向转动，转动的快慢取决于手臂动作的快慢及幅度。为了进一步提高转体的效率，还可用质量较大的双腿来代替手臂，于是获得图 8 所示的动作方案。双腿前后踢开，然后右腿向右，左腿向左，同时作半个圆锥运动，再将双腿收回成直立状态；在这期间，躯干必向相反的方向转动，躯干的转角与双腿圆锥运动的幅度有关。根据计算，双腿这样运动一个周期，躯干的转体可达 70°！显然，这是一种最为有效的转体动作方案。

宇航员在失重状态下姿态运动的要求是多种多样的，此外，运动员在腾空中（如跳水、单杠、双杠、跳马的下法等）令人眼花缭乱的动作更成为竞技的重要内容。对猫下落时翻身的研究可以给我们许多启示，让我们运用力学原理去揭示运动生物力学中的各种规律，并用来为人民造 福！