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高中物理加:乒乓球中的物理(1)
当以读书通世事
>《074-物理》
2023.06.10 甘肃
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Part1
空气对乒乓球的作用
乒乓球在空中飞行,最简单的模型就是斜抛运动或平抛运动。这两种抛体运动比较简单,其中乒乓球做平抛运动还出现在不少试题中,这里就不再赘述了。
实际的乒乓球在空中飞行,往往受到两个重要的影响,使得乒乓球并不按抛体运动计算出来的轨迹运行,这两个影响分别是空气阻力和因为旋转造成的横向压力。
首先看空气阻力。在速度较低的情况下,空气阻力正比与乒乓球飞行的速度,即
在空气阻力的作用下,乒乓球的飞行轨迹更像是弹道曲线,如下图,图片来自粤教版教材。
其次考虑旋转造成的横向压力。如下图所示,乒乓球在向前飞行的时候,由于旋转,会造成其不同方向受到空气的压力不一样。根据
伯努利原理
可知,空气流动越快的一侧,压强越小。正是这个不同的压力,导致乒乓球发生转向,这是弧圈球、香蕉球的基本原理。
Part2
乒乓球旋转的类型
乒乓球在旋转中前进,根据乒乓球的自转轴与乒乓球前进的方向的关系,可以把乒乓球的旋转基本类型分为上旋和下旋、顺旋和逆旋、左旋和右旋。这六种旋转还可以两两组合,形成复合旋转类型,如逆上旋等。
(1)上旋和下旋
球拍与球接触瞬间,产生向前(图中符号
表示)的弹力,也可以向前偏上(
)或向前偏下(
);同时球拍相对于球有切线方向的运动,从而形成摩擦,摩擦的产生的旋转轴为左右(
)方向。下方左图即为上旋,下方右图即为下旋。如果用右手定则来确定旋转方向的话,我们也可以将上旋描述为自转方向为向左(
),下旋描述为自转方向向右(
)。
上旋
下旋
(2)顺旋和逆旋
球拍与球接触瞬间,产生向前(或前偏左、前偏右)的弹力;同时摩擦产生自转方向向下,则称为顺旋,如下左图;自转方向向上则称为逆旋,如下右图。
顺旋
逆旋
(3)左旋和右旋
球拍与球接触瞬间,产生竖直方向(或竖直偏左、竖直偏右)的弹力;同时摩擦产生自转方向向前,则称为左旋转,如下左图;自转方向向后则称为右旋,如下右图。
一般情况下,竖直方向(或偏左、偏右)的弹力,都不能把球打到对方球台,所以一般不会有纯粹的左旋或右旋球,而是复合旋转类型中带有左旋或右旋的组成。
左旋
右旋
Part3
旋转对飞行的影响
根据前面分析,旋转会造成横向压力变化,所以不同的旋转在飞行过程中,会造成线路与不旋转不一样。
上旋球的飞行轨迹会比不转球的飞行轨迹更加偏向于“下坠”,而下旋球的飞行轨迹会比不转球的飞行轨迹更加偏向于“上浮”。因此,在乒乓球比赛中,使用反胶(更利于产生摩擦的胶皮)的运动员往往使用上旋球进攻,因为球离开拍之后,球更容易下坠,从而跨过球网到达对方球台。区别于不考虑空气影响时的
抛物线
、仅考虑空气阻力的
弹道曲线
,上旋球的运动轨迹又被称为
弧线
,而上旋球又被称为
弧圈球
。
类似于上下旋球的分析可知:顺旋转的球离开球拍之后,会偏向右侧飞行;逆旋转的球离开球拍之后,会偏向左侧飞行;右旋转与顺旋转类似;左旋转与逆旋转类似。
需要注意的是,顺旋转和逆旋转在战术中应用,尤其是发球阶段,往往不是利用其对飞行的影响,而是乒乓球到达对方球台后以及接触对方球拍时所造成的影响。
在实战中,拉球的时候并不一定是上旋球,也可以是逆旋球(多见于右手持拍)或顺旋球(多见于左手持拍),这种情况我们一般也称之为弧圈球(典型例子:许昕、侯英超拉球)。下面动图,是许昕打出的一个明显往左偏的逆旋转球。
Part4
最后
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