【原】网球上旋球中的物理原理||趣味科学

    

     摘要:网球上旋球由于球速快、旋转强烈，在空中飞行的弧度大，相比平击球而言更不容易出界，并且能对接球运动员带来极大的千扰，因此是网球运动重要的一项技术，尤其是在红土运动球场，上旋球技术更凸显其重要。介绍了几种正手握拍的方法及适合打出上旋球的握拍手法，对上旋球产生的力学原理作了分析，并分析了其运动规律，以期通过运用物理学知识使运动员和网球运动爱好者快速掌握这门技术。

      网球是球类运动中仅次于足球的第二大运动，有着巨大的影响力。不管是草地赛场、硬地赛场还是红土赛场，每场比赛都吸引着广大观众的瞩目，尤其是四大满贯赛事，更是网球运动员和球迷关注的最为重要的网球比赛。良好的技术是取得网球比赛优异成绩的保证，上旋球就是优秀网球运动员必备的一项基础技术。本文从物理学角度对网球上旋球做一剖析，分析其中的力学原理和运动规律，以期对网球运动爱好者和运动员的训练有所帮助。

1上旋球的单手正手握拍手法

   了解上旋球的握拍手法之前，先要知道球拍的结构和手与球拍接触的位置，球拍的截面是一个八边形，如图1所示，我们按图示方向将其编号，并标出食指指根的部位(方便下面握拍方法的介绍)。一般来说，网球的单手正手握拍手法有四种，分别是大陆式、东方式、西方式和半西方式。

   图2a是大陆式握拍手法，大拇指和食指呈“V”形，虎口与球拍拍头平面相对，握住球后，食指第一关节在斜面1处(左手握拍时，食指在斜边4处)。大陆式握拍的优点是适应面广，尤其在发球、截击球、过顶球、削球，以及防守时，这种握法的拍面几乎与地面垂直，击球时如同用球拍面钉钉子一样，效果非常好。

图2b是东方式握拍手法，食指第一关节在右垂直面上(左手握拍在左垂直面上)，如同与对方握手一样。东方式握拍不适合打高球，更多用来打平击球，虽然也可以打出上旋球，但稳定性相对要差一些，因此在多回合的争夺中不宜采用。

图2c是西方式握拍手法，虎口对准球拍拍柄的右垂直面。这种握法可以打出高而强的上旋球，打低球比较困难，对运动员的手腕力量和挥拍速度要求较高。图2d是半西方式握拍手法，食指第一关节在斜面2处(左手握拍在斜边3)。这种握拍方式适合大幅度引拍，容易打出上旋高球和用来小角度击球，有利于控制高球，但不适合回击低球。这种握拍方式打球比较稳定，对球的落点也能很好地进行控制，，也能打出高速运动的球，但对低球的处理不是很方便，转换其他握拍方式也不是很灵活。

       由此可见，握拍方式能影响球的旋转效果，西方式正手握拍和半西方式正手握拍能打出强烈的旋转效果，这是由于握拍的方式影响了挥拍的轨迹，导致击打球的部位不同，从而间接影响了球的旋转。

2上旋球的力学原理

     网球之所以能发生强烈的上旋，是与引拍的动作和球拍击球的位置有关。击打出上旋效果的球时，球拍击球的动作和位置如图3所示，可以看出，球拍击球时并不是正对着球迎面正击的，而是有一个斜向上提拉的动作，这样球就会收到一个切向的摩擦力与向前的弹力，这两个力的合力必然不会通过球的重心。由于网球是一个形状规则、质量均匀的球体，因此其重心和中心是同一个点。当网球受到的摩擦力和弹力的合力不通过其中心时，就会产生一个力矩，在这个力矩的作用下，网球就会发生转动。而运动员做出击打上旋球的动作时，首先要降低人体重心，然后快速移动到击球位置后摆引球，身体向持拍手一侧转动肩部，同时转髓部带动球拍向上快速挥出，也可以边移动边转

身引拍，然后支撑脚蹬地转身并挥拍击球。此过程中，向后方转体引拍，其目的是增加球拍的势能，并且为后面的转体击球准备一个旋转的空间，从而可以产生较大的转动惯量，在击球时将储存的势能和转动惯量以及脚蹬地产生的力通过腰腹的转动传到手臂，再经手臂、手腕、球拍传递给网球使网球可以获得较大的切向速度和径向速度，从而可以边旋转边向前飞。这就是上旋球的力学原理。

3上旋球的运动规律

3.1上旋球在空中的运动规律

     假如网球在空中运动时不发生旋转，在重力、空气的浮力与摩擦力、阻力的作用下向前作平动飞行。但当发生旋转后，其受力情况就会如图4所示，多了一个马格努斯力。马格努斯力产生的原因如图5所示，其原理是流体力学。

        当网球在空中旋转前进时，以网球为参照物，空气是对着网球高速流动的，由于网球的旋转而使其上下表面空气的流速不同。根据伯努利定理可知，在流体中流速大的地方压强小，流速小的地方压强大，因此上旋球在向前飞行时，其上下表面会产生一个压强差，在这个压强差的作用下，受到一个向下的马格努斯力，在这个力的作用下，网球就会快速下坠，在同等条件下，其在空中的飞行轨迹比平击球弧线要大，水平位移也要小一些，这也是上旋球不易出界的重要原因之一。

3.2上旋球落地反弹规律

      不旋转的球落地时，如果忽略能量损失，其反弹规律符合弹性碰撞规律，反射角与人射角大致相等。但上旋球落地时，由于球的旋转导致其与地面的摩擦力发生变化，从而产生与平击球不同的反弹效果。有研究者分别用中等速度和大力上旋抽击上旋球，用高速摄像机拍摄其运动轨迹，研究在不同情况下网球的反射角与人射角的关系，可以看出，上旋球落地后的水平速度和反射角是增大的。因此上旋球落地后会有一个上跳的动作，常会出乎接球方的意料，容易造成接球失误。此外，当用球拍接上旋球时，容易发生跳球，甚至会击到接球运动员的面部。因此，上旋球具有很强的攻击性，这也正是许多运动员喜爱这项技术的原因。

4结束语

      综上所述，想要打出具有上旋效果的球，最好采用半西方式或西方式正手握拍，击球时身体要向持拍手侧转体引拍，并旋转身体向上挥拍击打球的侧后方。上旋球在空中飞行时由于受到马格努斯力的作用，比平击球飞行的距离要近，并且落地后向上蹿起的速度比较快。掌握网球上旋球的力学原理和运动规律，有助于运动员和网球爱好者快速掌握这一技术，从而提高运动水平。  

文章来源于《中学物理教学参考杂志》2018年1期