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女排、乒乓、高尔夫:赢球的秘密!

 丁巳冬水 2016-08-24

我们是中科院主管、科学出版社主办,与日本知名科普杂志Newton版权合作的一本综合性科普月刊。

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昨天的女排决赛看得我心潮澎湃、激动无比啊!~~~

今天,2016里约奥运会正式落下帷幕。无论是上演惊天逆转的女排,还是无敌也寂寞的乒乓球,或是时隔112年重回奥运会的高尔夫,都给人留下了深刻的印象!今天,就来给大家说说在这些球类运动中取胜的诀窍!



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排球


排球中晃动飞行的飘球

在排球中,也存在类似于棒球的弹指球、足球的无旋转射门的发球球路,即“飘球”。所谓飘球,是指通过击打球的中心,使球在被击出后不发生旋转的发球。有时运动员也会跳起来发球。




球如果完全无旋转,就会表现为在飞行过程中经常晃动。2004年雅典奥运会和今年刚刚落幕的2016里约奥运会上,中国女排成功夺冠,姑娘们在比赛中的跳飘球发球技术起到了关键作用。

 



飘球的晃动不像棒球的弹指球那样由球体表面凹凸的排列决定球晃动的方向,而是像足球的无旋转射门那样,表面平滑的球在几乎无旋转飞行时,后方会产生不规则变动的涡旋结构,从而引起球的晃动。

 

无旋转射门时球后方的气流产生的涡旋结构会发生不规则的旋转,球受其反作用力产生晃动,此时守门员感觉球是晃动的。同理,排球发出的飘球,也令对方的球员猜不透球的轨迹。


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乒乓球


乒乓球中强烈旋转的“王子发球”

优秀的乒乓球运动员能够自由操控球拍,让球产生强烈的旋转。乒乓球非常轻,约2.7克(直径约40毫米),所以即使在只有2.74米长的乒乓球台上,也会在马格努斯力的作用下出现明显弯曲的运动轨迹。例如,上旋球(上旋转)会急速下落和弯曲。棒球下旋时,马格努斯力很难真正使球上飘,但在乒乓球中,通过球拍的击打让球产生强烈下旋,就会相对比较简单地打出明显上飘的球。




乒乓球比赛中让球产生旋转,目的之一是多方向改变球的运动轨迹,但还有另外一些重要目的,如通过旋转改变球弹起时的方向,或改变球碰到对方球拍时的反弹方式等。


考虑到旋转带来的这种效果,要想准确地回击对方,需要看清对方的打法和球的运动轨迹,预估球的旋转方向,并根据这些来调整接球时球拍面的方向及其挥动方向等。




乒乓球中有一种“王子发球”,是一种强烈的旋转发球。王子发球的特征是将球高高抛起,身体下蹲的同时切球,利用球的下降速度和下蹲时身体的速度,让球产生强烈的旋转,因此也被称为下蹲砍式发球。而且,通过改变球拍的方向和挥动方向,可以打出侧旋、下旋等旋转。


乒乓球发球中也有“弹指球”(不转球),这种球几乎没有旋转。但这种球在被球拍击打之后并不会立刻变得无旋转,而是在对方即将接球之前变得无旋转,这才是真正意义上的发不转球。


在乒乓球比赛中,让对方猜不透球向哪个方向旋转非常重要,而发弹指球(不转球)则可令对方措手不及。这种球因与棒球中的几乎无旋转的弹指球类似而得名,但乒乓球中的弹指球(不转球)不会感到球的晃动。



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高尔夫球


当高尔夫球时隔112年重回奥运会,在里约赛场上,冯珊珊以274杆、总杆数低于标准杆10杆的成绩摘得铜牌,而这也是中国军团首次夺得奥运会高尔夫奖牌。


高尔夫项目在中国还不算普及,提起高尔夫球,大家的印象似乎都是:高尔夫球场好大呀!高尔夫球好像比其他球都飞得远啊!那么高尔夫球一杆超过350米的秘密是什么呢?

 



秘密在于球表面的凹陷结构!

在棒球的本垒打中,即使球飞得很远,也不过150米左右。与此相对,巴巴·沃森等专业高尔夫球员中的“长打王”,击球距离可达到400码(约366米。只比球的飞行距离的“打远赛”中,有的球员的击球距离甚至能超过500码)。高尔夫球为何会飞得这么远呢?


秘密之一在于球本身。虽然不同厂家生产的高尔夫球会有所差异,但球的表面肯定都会有许多凹坑。这些凹陷被称为凹坑,它们能大幅削减球体所受的空气阻力




飞行的球会受到前方气流的影响。开始时,空气沿着球的表面流动,中途会从球表面“分离”。因此,球后方会形成空气涡旋区。


静止的球会受到各个方向空气的压力。因为受力均匀,它们之间相互抵消,所以球看上去仿佛没有受到任何作用力。但球在飞行时,其后方形成的涡旋区压力会比周边低。于是,前后产生压力差,球会受到向后的作用力。这就是产生阻力的真正原因。


但如果球的表面有凹坑,气流就会在球表面被打乱,形成紊流。这样一来,气流就难以从球表面分离。球后方形成的涡旋区变小,阻力也随之减少。因此,凹坑的存在使得高尔夫球难以减速,从而可以飞得更远。


据说,如果高尔夫球球表面没有凹坑,球的飞行距离会缩短百分之几十。因此,高尔夫球的生产厂家仔细研究凹坑的大小、排列方式等,生产出了各种各样的高尔夫球。




开球角度也很关键!

高尔夫球能远距离飞行的另一个秘密在于球的运动轨迹。中学物理在考虑物体运动时,通常会忽略空气的影响。这是因为,如果将球所受到的空气作用力考虑在内,计算起来就会很难。


我们在中学物理课上学到的是,“在忽略空气影响的情况下,球与地面呈45°夹角时飞得最远”。但假如打高尔夫时以45°的角度开球开球(即高尔夫的第一次挥杆),则不会飞出很远。要想实现球的远距离飞行,10°~14°的开球角度是最合适的


一号木杆(是指最能打出远距离球的高尔夫球杆)开球时,球在下旋的同时向外飞出。而且,发生下旋的球会有向上的马格努斯力发挥作用。需要注意的是,此处的向上,指的是相对于行进方向的向上(马格努斯力与球的行进方向呈90°夹角)。如果行进方向相对于地面向上倾斜(球在上升中),马格努斯力就会向后倾斜,此时发挥的就是制动器的作用。


但如果以14°左右的小角度开球,马格努斯力的倾斜度会变小,其作为制动器的作用就会减弱。而且,马格努斯力将球抬起的作用也比45°时大,所以球难以下落。

 

球在即将降落之前也会发生有趣的事情。由于行进方向相对于地面向下倾斜,所以马格努斯力向前倾斜,发挥了加速器的作用。在即将降落之前,有时会感觉球加速了一下,这就是马格努斯力引起的。

 


本文节选自《科学世界》2016年第8期




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