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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!

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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

乒乓球运动是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,让东京奥运会的乒乓球单打决赛成为了“队内训练赛”,金银牌的角逐也成为了国家队的胜利会师。


△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;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)

但为成绩自豪的同时,大家有没有注意过乒乓球比赛的细节呢?比如:小小的乒乓球,是如何拥有巨大力量的呢?为什么赛前裁判要特地检查比赛双方的球拍?大家为什么要自带球拍,每个人的球拍不一样吗?


△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 乒乒乓乓中的撞击动力学!

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,球也会变形储能,木板层也会发生微小变形);而当总动能接近零时,形变会达到最大值,海绵和橡胶层形变恢复,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。


△球和球拍的碰撞(图片来源:参考文献[1] )

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?看完你就懂了!

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,这是为什么呢?

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,而乒乓球本身则影响没那么大。

但从另一方面而言,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,随着这三部分结构的不断创新,技术打法越来越追求快速、强旋转,重视“几招毙命”、回合减少的“速效”打法,但同时,这会显著降低乒乓球比赛的观赏性和趣味性,让“拼体育技术”变成了“拼工业技术”,与奥运的竞技精神可不相符。


△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。虽然对球拍形状和重量没有规定,但在球板特性如应足够平整、坚硬;底板至少应有85%天然木料层,木料层之间的粘合层等厚度不得超过总厚度的7.5%、也不能超过0.35mm,海绵层厚度不能超过0.4mm,橡胶层不允许使用长胶等等上进行了规定。

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,检测内容包括水溶性胶水、胶皮海绵厚度、球拍表面平整度、球拍表面光泽度以及胶皮海绵合法性。

这下,你明白为何运动员的球拍为何要被一一检查了吗?


△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——早期运动员使用橡胶精溶解到有机溶剂后制成的快速胶水,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,能在短时间内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。和底板相关的参数有:硬度、弹性和底劲。“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”。一般而言,球拍底板木料不多于七层,因为层数越多、表现越硬,所以快攻选手往往选用七层硬木板、弧圈选手则常常选用五层夹芯软底板,真是“人靠衣装马靠鞍,乒乓选手看底板”。

新材料的引入,也让球拍底板性能提升很快:碳纤维比重轻、形变小,恢复时间短、回球速度快,还能够打出高速低弧线球;芳纶纤维撞击减震、底劲充足,能保护运动员手腕;芳纶纤维和碳纤维混编底板则兼顾了两者特性,既有快的脱板速度、又有柔和手感;高强玻璃纤维最接近纯木手感、又有远超纯木的变形恢复速度,适合现代鞭打式击球。

总之,板取材丰富多彩,因人而异各取所需,真可谓“量体裁衣”了。

胶皮、海绵:与地板相辅相成的软性材料

作为直接接触球体的胶皮,其工艺技术更是日新月异。当前,胶皮大致分为颗粒胶和反贴胶两类,颗粒胶又分为正胶、生胶和长胶;反贴胶分为反胶和防弧胶,不同的胶皮有着不同的摩擦能力,可以配合不同的打法。

中国乒乓球协会主席刘国梁在运动员时期所使用的球拍就是正胶胶皮的,世界女子乒乓球首位大满贯得主邓亚萍所用的则是长胶胶皮,而刚刚卫冕奥运会男子单打冠军的马龙则是使用反胶胶皮,反胶胶皮也是目前世界一流乒乓球手的主流选择。

海绵是贴在底板和胶皮之间的一层发泡橡胶,主要作用是拉长球、拍接触时间,增加球拍的弹性和摩擦切球的能力。海绵有高弹和低弹两种不同的类型:高弹海绵弹性大,回球旋转和速度都较强;低弹海绵控球稳健,容易控球,击球运动员需要发挥更多自身力量。胶皮与海绵配置与底板性能的发挥相辅相成,互相成就。

最终,胶皮、海绵和底板的不同组合让球拍们展示出各有千秋的特别性能。

球的变迁:ABS与大球时代

说完球拍,咱们也说说球。

为了增加乒乓球运动的观赏性,2000年,国际乒联将其直径从38毫米增加到40毫米,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。不过在干冷环境里,无缝塑料球容易爆裂,损耗率比赛璐珞球高20~30%。所以,2017年,世乒赛开始广泛采用ABS材质,作为一种三元共聚物,ABS具有更好的性能和更低的成本。


△乒乓球(图片来源:Veer图库)

“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,让我们祝福所有健儿再创佳绩!

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


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