看完舞獅，我懷疑老祖宗親自學(xué)過剛體力學(xué)

每逢春節(jié)，鑼鼓喧天。

舞獅，這項(xiàng)流傳了千年的中國傳統(tǒng)民俗，絕對是年味里最“燥”的存在。從驅(qū)邪避害的圖騰，到祈求平安的象征，這不僅僅是一場表演，更是中國人刻在 DNA 里的喜慶符號。

舞獅子|圖源網(wǎng)絡(luò)

過年看舞獅，普通人看的是熱鬧、是喜慶、是“哇塞好厲害”。

但作為中科院物理所的鐵粉的你，當(dāng)你盯著那頭在梅花樁上飛來飛去的獅子時(shí)，你的第一反應(yīng)是：這玩意兒怎么沒摔下來？

我們一起審視一下這個(gè)系統(tǒng)：

重心極高，頭重腳輕；

視覺傳感器，也就是獅頭演員的眼睛被嚴(yán)重遮蔽，存在巨大盲區(qū)；

由兩個(gè)獨(dú)立的碳基生物（人）強(qiáng)行拼湊，卻要模擬一個(gè)剛體四足獸；

更離譜的是，它的運(yùn)行環(huán)境竟然是幾根直徑十幾厘米、高低錯(cuò)落的木樁。

舞獅這項(xiàng)傳統(tǒng)藝術(shù)，本質(zhì)上就是一個(gè)“正在運(yùn)行的力學(xué) BUG”。

按理說，這是一個(gè)隨時(shí)處于崩潰邊緣的不穩(wěn)定系統(tǒng)。它走兩步就該散架，或者直接臉著地。但現(xiàn)實(shí)是：它不僅沒崩，還穩(wěn)得離譜。

今天，我們就把這舞獅拆解開來，看看它背后藏著怎樣硬核的物理學(xué)。（放心，公式不多，且不考～）

獅頭：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與“麒麟臂”的養(yǎng)成

舞獅最傳神的是獅頭：眨眼、洗須、擺耳、探路。但你有沒有想過，一個(gè)重達(dá)5-10kg、且體積巨大的南獅獅頭，為什么能被舞得像手里的扇子一樣輕盈？

在剛體動(dòng)力學(xué)中，我們可以引入轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Moment of Inertia,I）這一概念。

桿子越長轉(zhuǎn)起來就越費(fèi)勁

可以通過這張圖來直觀理解轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：一個(gè)人握著短桿可輕松轉(zhuǎn)動(dòng)但是握著長桿極難轉(zhuǎn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式：

簡單說：質(zhì)量離轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)，物體越“懶”得轉(zhuǎn)。

公式甩給你：

由公式我們可以知道，獅頭越大、越重，它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就越大。想要讓它動(dòng)起來，你的手腕需要輸出的力矩就得成倍增加。

由于獅頭的質(zhì)量分布距離你的手腕非常遠(yuǎn)，這就意味著，要把幾公斤重的獅頭轉(zhuǎn)動(dòng)起來，相當(dāng)于舉起十幾公斤的鐵球，所以從轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的角度來看就能夠解決為什么我們通常只擼貓而不擼獅子，因?yàn)楠{子的r太大了。

論轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：為什么獅頭比貓頭難擼，因?yàn)楠{頭r太大了

而且，獅頭不是一個(gè)球，它是一個(gè)復(fù)雜的剛體。當(dāng)你試圖讓它繞著 X軸轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)歐拉動(dòng)力學(xué)方程：

它可能會(huì)莫名其妙地產(chǎn)生一個(gè)繞 Z 軸的力矩，即陀螺效應(yīng)項(xiàng)。

這就相當(dāng)于你單手握著一口幾十斤重的大鐵鍋的鍋柄末端。你不僅要顛勺，還要防止鍋里的菜因?yàn)閼T性帶著鍋亂晃，把你的手腕給扭了。

那獅頭小哥是怎么做到的？

答案是：不要硬剛，要“借力”。

高水平的獅頭演員，從來不是用蠻力去對抗慣性。他們會(huì)先用身體扭動(dòng)，給獅頭一個(gè)“初速度”，然后利用慣性順?biāo)浦邸Ｋ麄兊氖直鄄皇前l(fā)動(dòng)機(jī)，而是方向盤。

所以，每一場精彩的舞獅，其實(shí)都是舞者神經(jīng)系統(tǒng)通過身體對剛體動(dòng)力學(xué)方程組的實(shí)時(shí)物理求解。

獅身：這就是傳說中的生物“桁架”

很多人看舞獅只盯著獅頭看，完全忽略了獅尾。

在觀眾眼里獅尾是“看不見人”的配角，但在力學(xué)模型里，獅尾是整個(gè)系統(tǒng)里的底座和承重墻。

當(dāng)獅子站立或疊羅漢時(shí)，由于獅頭和獅尾有肢體接觸，整體形成一個(gè)力學(xué)結(jié)構(gòu)，獅頭和獅尾就不再是獨(dú)立的質(zhì)點(diǎn)，而可以看作是一個(gè)整體，彼此的動(dòng)作都會(huì)對對方產(chǎn)生影響在物理中，我們稱之為強(qiáng)耦合的系統(tǒng)。

特別是當(dāng)獅尾演員彎腰、雙手死死鎖住獅頭演員的腰帶時(shí)，兩人構(gòu)成了一個(gè)工程學(xué)上極其經(jīng)典的結(jié)構(gòu)——桁架（Truss）。

桁架結(jié)構(gòu)與舞獅結(jié)構(gòu)的對比圖

讓我們來仔細(xì)看看這張圖：左邊是橋，右邊是人。不能說毫無關(guān)系，只能說一模一樣。三角形是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，古人誠不我欺。

讓我們舞獅演員做一個(gè)簡單的受力分析：

獅尾演員的脊柱：作為斜桿，承受巨大的壓應(yīng)力；

手臂連接處：作為節(jié)點(diǎn)，鎖死了相對位移。

整個(gè)系統(tǒng)的精髓就在于強(qiáng)耦合

獅尾演員的腰：承受著巨大的壓強(qiáng)。

獅尾必須時(shí)刻根據(jù)獅頭的動(dòng)作調(diào)整自己的的核心肌群，提供一個(gè)對抗力矩，以保證整體力矩平衡：

梅花樁：牛頓都不敢站的零力矩點(diǎn)

舞獅的靈魂，在于梅花樁，每一次的跳躍都讓我們歡呼不已。在這里，我們必須引入一個(gè)關(guān)鍵概念：動(dòng)態(tài)平衡。

在平地上站著不動(dòng)，只要重心投影在腳下這塊巴掌大的地方，就不會(huì)摔，這叫靜態(tài)平衡。 但在梅花樁上跳躍時(shí)，支撐面是離散的、巴掌大小的圓點(diǎn)。想要在上面如履平地，光靠“穩(wěn)”是不夠的，核心變量是時(shí)間t。

就像騎自行車，停下來會(huì)倒，但跑起來就很穩(wěn)。當(dāng)獅子在樁上快速移動(dòng)、跳躍時(shí)，它的身體其實(shí)一直處于一種“可控的失衡”狀態(tài)。

重心的投影經(jīng)常會(huì)跑出樁外，這時(shí)候，演員必須在重力把他拉倒之前，快速移動(dòng)腳步到下一個(gè)落點(diǎn)。

物理學(xué)告訴我們：演員通過快速移動(dòng)支撐點(diǎn)，使重力的破壞性作用被及時(shí)消除，從而保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

在這個(gè)過程中，時(shí)間成為了維持平衡的另一個(gè)維度。而描述這種極限操作的物理量，就是——零力矩點(diǎn)（Zero Moment Point, ZMP）。

人站在平面內(nèi)與站在梅花樁上的受力示意圖

由圖可得活命指南：在梅花樁上跳舞時(shí)，請務(wù)必確保你的地面反作用力合力點(diǎn)不能跑出那巴掌大的樁面。

動(dòng)態(tài)平衡的精髓在于：天下武功，唯快不破。

當(dāng)獅子重心右移，感覺身體要向右傾倒時(shí)，從靜態(tài)思維的角度出發(fā)，他不能試圖把重心硬拉回來，而是必須加速向右動(dòng)腳！

通過調(diào)整身體姿態(tài)產(chǎn)生加速度，從而改變質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，使得零力矩點(diǎn)回到支撐區(qū)域內(nèi)。

看著這個(gè)帶有加速度項(xiàng)的公式，實(shí)際上在說：想不摔倒？那就得往摔的方向加速?zèng)_！

機(jī)器人vs碳基生物

波士頓動(dòng)力的機(jī)器人為了算準(zhǔn)這個(gè) ZMP 軌跡，CPU 燒得風(fēng)扇狂轉(zhuǎn)；而舞獅師傅憑借小腦的神經(jīng)反射，在 0.1 秒內(nèi)就解出了這個(gè)方程！碳基生物本輪完勝！

落地：拿什么拯救你的半月板

從高樁一躍而下，落地瞬間發(fā)生了什么？

設(shè)下落高度 2 米，獅子總質(zhì)量 140kg。落地動(dòng)量巨大。

如果不做緩沖，直接膝蓋伸直落地，根據(jù)沖量定理：

作用時(shí)間極短，沖擊力F將會(huì)直接把膝蓋骨變成粉末。

如何破解？唯有認(rèn)慫。

舞獅演員通過一系列連貫動(dòng)作：

前腳掌觸地踝關(guān)節(jié)壓縮膝關(guān)節(jié)彎曲深蹲。

這一套組合拳，本質(zhì)上是將剛性碰撞轉(zhuǎn)化為了阻尼運(yùn)動(dòng)。

膝蓋的物理真相：彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)

肌肉提供彈簧剛度k，關(guān)節(jié)粘滯提供阻尼c。好消息是，這個(gè)阻尼系數(shù)是你可以主動(dòng)調(diào)節(jié)的。

通過肌肉的主動(dòng)收縮，提供剛度k和關(guān)節(jié)的粘滯摩擦提供阻尼c，演員將受力時(shí)間強(qiáng)行拉長到了 0.5 秒以上，平均受力瞬間從“車禍級”降到了“安全級”。

所以，你看舞獅落地時(shí)那一下極具韻律感的“顫動(dòng)”，不僅是為了好看，其實(shí)更是為了保命。

其實(shí)，絕大多數(shù)舞獅師傅，可能連F=ma都沒背過。但他們用身體暴力破解了這道極高難度的動(dòng)力學(xué)方程組。

那些口口相傳的“心法”和“招式”，本質(zhì)上就是經(jīng)過了數(shù)百年迭代優(yōu)化的“遺傳算法”最優(yōu)解。

此時(shí)此刻，屏幕前的你此刻大概率不是在梅花樁上飛，而是在沙發(fā)上葛優(yōu)躺。

在大年初三這個(gè)適合“宅家維持最小能量”的日子里，看著舞獅師傅們在極不穩(wěn)定的邊緣瘋狂試探，我們不妨摸摸自己這幾天吃出來的肚子，感到一絲欣慰：

根據(jù)

恭喜你！

隨著春節(jié)期間攝入的卡路里轉(zhuǎn)化為質(zhì)量 ，以及腰圍半徑 的顯著增加，你本人的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量已經(jīng)達(dá)到了年度巔峰！

這意味著：外界想要改變你的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（比如讓你去相親、讓你去加班），變得更難了！

這不叫懶，這叫物理學(xué)意義上的“穩(wěn)重”。

最后，中科院物理所祝大家在2026年：

生活像梅花樁上的重心投影：看似常常飄出支撐面，卻總能在動(dòng)態(tài)調(diào)整中化險(xiǎn)為夷，穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)。

事業(yè)像落地時(shí)的動(dòng)量定理：哪怕遇到?jīng)_擊，也能軟著陸，毫發(fā)無傷！

大年初三，別試圖在家里的茶幾上模仿獅子跳，容易破壞家庭平衡。

參考文獻(xiàn)

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編輯：Bingbing