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“乒乒乓乓 天下无双”在千分之一秒的撞击中,创造着奇迹!

已有 1744 次阅读 2021-8-20 09:49 |系统分类:科普集锦

出品科普中国
制作:刘聪、吴臣武(中国科学院力学研究所)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

乒乓球运动我国的传统优势项目,在历届奥运会中,我国乒乓球队都有十分优异的表现。甚至在乒乓球队共同的努力下,将东京奥运会的乒乓球单打决赛变成了“队内训练赛”,金银牌的角逐也成为了国家队的胜利会师。

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左: 2021年7月29日,分别获得2020东京奥运会女子单打冠亚军的陈梦和孙颖莎共同展示国旗(图片来源:人民日报)

右: 7月30日,分别获得男子单打冠亚军的马龙和樊振东共同展示国旗(图片来源:人民日报)

为战果自豪的同时,大家有没有注意过乒乓球比赛的细节呢?比如:乒乓球的攻击力从何而来?为什么赛前裁判要特地检查比赛双方的球拍?奥运会上,乒乓球和球拍都是球员自带的吗?

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孙颖莎和伊藤美诚在赛前相互检查球拍(图片来源:截图自央视)

电光火石间、乒乓中的撞击动力学!

首先,我们要知道,赛场上“乒乒乓乓”,往复飞跃,主要源于球和拍之间的撞击动力学过程。比赛中,球和球拍的碰撞接触时间仅为千分之一秒,乒乓球飞行速度最高可达每秒47米!电光火石之间,球拍表层的橡胶和海绵会因为球的快速挤压而变形、同时吸收动能储存变形能(当然,球拍底板和球也会变形储能);当总动能达到某个极小值时、形变达到最大值,此后海绵和橡胶层形变开始恢复,变形能快速释放,转化为乒乓球的动能,于是乒乓球“脱板”而飞,抵达对方队员球拍后,又会开始下一次的碰撞与飞跃。

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球和球拍的碰撞(图片来源:参考资料)

如果在击球瞬间,乒乓球的受力方向没有通过球心,切向摩擦力就会使球发生转动。除了球和拍的相对运动姿态外,影响切向摩擦力的主要原因是球与拍的材质和工艺,因此,通过优化技术可以制造出更高级的球和球拍,让击球更具“杀伤力”。

球拍为何要仔细检查?看完就秒懂了

目前的国际比赛中,乒乓球是由赛场统一提供的,但球拍却是队员自行携带的,这是为何?因为球拍的使用契合着运动员的自身特点和习惯,往往需要长时间的磨合才能提升技巧水平、达到“人拍合一”的境界,比较而言乒乓球本身则影响没那么大。从另一方面来看,球拍的自行携带机制也从硬件上给比赛带来了极大的不确定性!

可以想象,为了争取更大的胜利,各国都会投入大量研发工作来提升球拍性能,球拍结构越来越复杂;纵观乒乓球运动的发展,技术打法的革新与球拍变革息息相关。目前,球拍大都由底板、海绵和胶皮三部分组成,随着这三部分结构、材质的不断创新,技术打法越来越追求高速度、强旋转,重视“几招毙命”、回合减少的“速效”打法。但同时,这显然会显著降低乒乓球比赛的观赏性和趣味性,让“拼体育”变成“拼科技”,与奥运的竞技精神可不相符了。

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乒乓球拍(图片来源:Veer图库)

好在,国际乒联对直接影响球拍和球撞击过程的重要参数上给出了系列规范。虽然目前的球拍形状和重量没有统一规定,但在球板特性方面作了强制性要求:首先,球板应当足够平整、坚硬;其次,球拍底板中天然木料层占比不小于85%,木料间粘接层等辅助材料厚度不大于总厚度的7.5%、也不能厚于0.35mm,海绵层厚度不大于0.4mm;以及,橡胶层不允许使用长胶等等。

因此,为了进一步保证比赛的技术公平性,赛前会有专门的检测处对球拍进行检测,检测内容主要包括球拍表面平整度、球拍表面光泽度、水溶性胶水和胶皮海绵合法性等等。这下,明白为何运动员的球拍为何要被逐一检查了吧?

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2021年8月1日,中国乒乓球男双组合中的许昕击球(图片来源见水印)

在球拍的发展历程中,还有一个小插曲——早期运动员曾使用到有机溶剂溶解橡胶精制成的快速胶水,来实现多变的撞击以控制球速和转动。因为它在粘合球拍底板和海绵层时,能短暂形成特殊的分布式气囊结构;然而,这种快速胶水对人体伤害很大,所以渐被禁用,而球拍是否含有快速胶水也成了一项重要的检测指标。

人靠衣装马靠鞍,乒乓选手看底板

球拍底板虽然不直接触球,但却是整个球拍的承力主体。直接影响球拍性能的底板参数主要包括“硬度、弹性和底劲”。硬度和弹性,咱们都能理解,这个“底劲”又是啥?从力学上简单地讲,它可以理解为防止球与拍碰撞能量耗散的一股“劲儿”,——最有“底劲”的极限理想情况是“存多少、就能取多少”。通常,球拍底板木料层数不超过七层,因为当单层厚度一定时,木料层数越多、球拍表现越硬;这正是为什么快攻选手往往选择七层硬木底板、弧圈选手则常常选择五层夹芯底板,真是“人靠衣装马靠鞍,乒乓选手看底板”。

新材料新工艺的加持,特别是纤维增强复合材料技术的发展和支持,也让球拍底板力学性能提升得很快;在这里,纤维类型良多、选择颇有讲究:典型的有碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维及其混编体,其中,高强玻璃纤维底板最适合现代鞭打式击球,手感上它最接近纯木底板、但是变形恢复速度又远超实木底板;比重轻、刚度大的碳纤维底板,撞击变形恢复时间短、回球加速快,可以帮助运动员制造高速低弧线球;芳纶纤维底板底劲充足,而且能减轻撞击震动,长期使用更有利于保护运动员手腕;不难想象,芳纶纤维和碳纤维混编底板或许能兼具二者优势,既有足够快的脱板速度、又有足够柔和的手感;总之,底板取材丰富多彩,因人而异各取所需,是可谓“量体裁板”。

海绵、胶皮:与底板相辅相成的软材料

乒乓球拍用的海绵是一种发泡橡胶,粘贴在底板和胶皮之间。海绵夹层的主要作用是拉长球、拍接触时间,提高球拍整体弹性及其摩擦切球能力。从力学性能上粗略划分,海绵可分为高弹和低弹两种类型:高弹海绵回弹大、压缩负荷比高,用高弹海绵的球拍能打出较高的旋转和速度;低弹海绵反弹小、因此又名惰性海绵,低弹海绵球拍控球稳健、容易控球,在制造旋转时击球运动员需要发挥更多自身力量。

作为直接接触球体的胶皮,其工艺技术更是日新月异。简单地说,当前乒乓球拍主要用到两类胶皮,即颗粒胶和反贴胶。其中,颗粒胶胶皮颗粒朝外,当颗粒直径等于、大于或小于颗粒长度时,它又分别称为正胶、生胶和长胶;反贴胶胶皮颗粒朝内,通常需要搭配厚的硬海绵,而自身又厚又硬的反胶就叫防弧胶,则需要相对松软的海绵配合。不难理解,不同胶皮对乒乓球具有不同的摩擦能力,这就可以配合不同的技术打法。

优化的胶皮、海绵搭配与底板性能的发挥相辅相成、相得益彰——胶皮、海绵和底板的不同组合让令球拍们展示出各有千秋的独特性能。

球的变迁:ABS与大球时代

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乒乓球(图片来源:Veer图库)

说完球拍,咱也说说球。为了增加乒乓球运动的观赏性,2000年,国际乒联将球的直径从38毫米增加到40毫米,从此开启了乒乓球的大球时代。

大球飞行阻力更大、旋转时空气摩擦力矩也更大,且自身转动惯量也大,因此大球的飞行速度和旋转速度也更低。想让球快速转起,运动员往往需要付出更大努力。

与球拍的变迁史类似,乒乓球本身的材料也是几经更替。2014年,服役百余年的赛璐珞球被换为安全环保的无缝塑料球,因为赛璐珞有毒且易燃、给航空运输带来很大困难。然而,在干冷环境里,由于冷缩、干缩和冷脆等力学效应,无缝塑料球容易破裂,有数据显示其损耗率比赛璐珞球至少高出20%。因此,2017年,世乒赛开始广泛采用ABS材质的乒乓球,作为一种三元共聚物,ABS具有更好的性能和更低的造价,这看起来更像是“天选之材”了。

“工欲善其事,必先利其器”,球与拍就是是乒乓赛场的武器装备。对于运动员来说,好的装备能以更大限度的发挥出高水准,给观众带来更炫的表演。纵观乒乓球发展史,球拍和球的技术进步互为挑战,相辅相成:球拍不断朝着弹性更高、摩擦操控性更强的方向发展,目的是使球速更快、运动轨迹更难以捉摸;乒乓球却是朝着体积更大、惯性更大的方向发展,目的是使它飞行更稳定、精彩更持久。

乒乓球在变,球拍也在变,但是努力拼搏的中国乒乓球的精神不变,世界和平的奥运精神不变。

参考资料

1. 乒乓球的前世今生[J]. 走近科学, 2009, 000(002):52-57.

2. 乒乓球教材小组. 乒乓球[M]. 北京:人民体育出版社, 1992:95.

3. 费曼. 物理讲义 第一卷[M]. 北京:世界图书出版公司,2008:4-5.

4. 王吉生. 如何进行乒乓球底板与海绵胶皮的选择搭配[J]. 乒乓世界, 1999(4).

5. 中国乒乓球协会. 乒乓球竞赛规则[M]. 人民体育出版社, 2003、2011.

6. 苏清强, 王浩峰. 乒乓球拍底板材料与底板性能分析[J]. 新乡学院学报:自然科学版, 2010.

7. 刘琼. 简析乒乓球球拍的演变与革新[J]. 运动, 2016, 000(024):134-135.

8. 陈伟胜, 杨敏. “防抱死”乒乓球成赛场新宠[N]. 广州日报, 2017-10-07.

© 感谢院科普编辑配图、润色;感谢知乎、百度、水木等网络讨论资源;本科普文未对照科技论文格式进行文献标注、仅将主要参考资料依次列于文末,若有疏漏、敬请指正!



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