浅说乒乓 2 ——“力”从何来？

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高校退休教师，介绍乒乓球科学原理及基础知识。

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乒乓球科学与实践 2020-02-26 14:15:01

前文说到，乒乓球的速度和旋转都是球拍打出来的，接下来的问题自然是这个击球的 “力”从何而来？

“击球力”这个词听起来虽然很熟悉、很简单，实际上却很少有完满解释，更没有严格定义。人人都能看到的客观事实是：每一板合法击球都能使乒乓球获得全新的速度和旋转（包括大小与方向），反向飞回对方球台。这显然是因为乒乓球受到了来自球拍的击球力。

“击球力”到底从何而来？有人说来自高速挥动的球拍，有人说来自高速飞过来的乒乓球，有人说来自击球者身体的肌肉，有人说来自运动员食物营养素产生的热量，还有人说来自地面。各执一词、莫衷一是，也可以说他们都没错。这真实地反映了“击球力”来源的复杂性。首先要解决的是每一板击球力的来源是击球者一方，还是运动的双方？

如果把击球力单纯看做击球者的挥拍速度和加速所产生，显然是有失偏颇的。因为运动中没有任何人会击打一个静止在空中的乒乓球，凡是来球都是带有一定的能量、动量、速度、旋转等等并肯定会影响击球力。

球拍击球是二者间的一种相对运动，常见的说法是两个高速运动物体（球拍和球）间的一次碰撞。从这种观点出发，显然，球受到的击球力是双方运动员发力产生的结果。因为运动的球拍代表着击球方运动员的发力结果，而来球的速度和旋转就代表着对方运动员施加在球上的力产生的结果（虽然经过飞行，速度和旋转都有不同程度的衰减）。有些民间科学家把这个力叫做“历史力”。物理教科书把这个叫做运动球的惯性而不把它看做一个力。而来球被击打后会反向弹出，带着新的速度和旋转飞回去，显然是受到了击打力。所以说，除发球外，把每板击球看成是双方球员先后发力产生的共同结果，似乎这更接近客观事实。

接下来的问题是，击球力到底来自运动员的身体发力还是来自地面？好像两者都有一定道理。

首先，有人说击球力来自运动员的身体发力。这当然是正确的。因为没有运动员的发力挥拍，击球力根本无从谈起。这样看起来，乒乓球高速飞行与旋转的动能只能是来自人体运动的机械能或者来自人体内食物营养素中的化学能。但是有人问：站在光滑的无摩擦力冰面上，运动员还能正常迈步、跑位、转移重心、迎前击球吗？显然不能。

我们知道，人体运动的原始动力来自收缩或拉伸的骨骼肌，其牵引骨杠杆使人肢体发生机械位移。但如果单纯只存在这类内力作用，它们只能产生身体各部位的形变和相对运动，如团身、直体、折叠等等，并不能改变身体重心的空间位置，因为内力都是成对出现，两两相互抵消的。从系统整体上看，所有内力的合力为零，对质心不产生加速作用。人体只有在内力主导下和外部环境（地面、乒乓球拍、乒乓球）发生相互作用形成外力效应，才有可能使身体整体产生运动，并对外做功、转移能量，形成击球力（参见图1）。

图1 击球力的来源顺序示意图所以还有人说，击球力来自地面，来自击球者蹬地时受到的地面支撑反作用力（弹力和摩擦力）。这种说法也有一定道理。根据运动生物力学原理，肌肉张力是人体内力中的主动力，虽可引起人体力学系统各部分之间的相对运动，但不能改变人体整体的运动状态。人体只有借助于由内力产生的外力才能使自身发生整体运动（参见图2）。

图2 蹬地产生支反力使人体重心升高人体的内力再大也不可能自己给自己整体加速。举重运动员力量再大也举不起自己，拳击运动员的单拳打击力有500公斤，体重只有100公斤，他能抓住头发将自己提离地面吗？当然不能，哪怕一秒钟、一厘米都办不到。要想离开地面最简单的方法是蹬地弹跳，获得地面的支反力，即借助于外力。 从加速度看，乒乓球运动员正常跑位、转移重心、迎前击球的动力也只能是来自地面这个外力。因为人体内力再大，不借助外力也不可能使人体发生这类重心平移的运动行为。

现在，我们整理一下顺序：乒乓球的速度与旋转来自球拍击打力（外力），球拍的速度与加速度来自人体执拍手（外力），人体（包括执拍手）的整体速度和加速度来自地面（外力），地面的弹力和摩擦力来自人体的蹬地力与摩擦力。这样击球力的来源是不是就比较清楚了？（参见图1）

1 首先是人体肌肉发力向下、向后、向右蹬地摩擦，2 使地面变形产生弹力与摩擦力反作用于人体。3 人体产生向上、向前、向左的局部或整体的变形或加速运动，传导至人体力学链末端的球拍使之高速运动，和迎面来球产生碰撞，4 给乒乓球以巨大的冲力，使其反向高速、旋转飞离球拍。

从能量的角度看，人体食物营养素中的化学能（生物能）转换为肌肉的动能。再通过发力蹬伸动作与地面作用，转换为地面积蓄的弹性势能，而这些弹性势能的释放（地面反弹）又可反向转换成移动人体整体的动能。经人体力学链传导至球拍，通过碰撞，以冲量和角冲量的方式将能量转移给乒乓球，使其获得平动动能和转动动能，反向高速、旋转飞离球拍。

如果上面的分析是正确的，那么我们是否可以这样回答“力”从何来？：

乒乓球击球力的初始来源、能量来源、间接来源是人体内力，直接来源是由前者产生的动力型地面支撑反作用力，二者缺一不可。

最后，好像所有的体育运动项目中力的来源都是与此类似、大同小异的：球类、跳跃、跑步、走路、投掷、游泳、体操、跳水、拳击、……？好像没有例外？只是获得外力的形式不同，借助的外部物体不同，原理无异。不夸张地说，没有外力，就没有体育运动。

比如说撑杆跳高（参见图3），使人体越过高达 6 米横杆的弹力来自人体还是来自地面？从功能转换角度看能量肯定是来自人体，因为消耗的能量显然来自人体而不是来自地面；从加速度看恰恰相反，该力只能是（通过撑杆）来自地面，因为人体的内力不可能自己给整体的自己加速度，而必须借助地面的外力作用。

图3 地面支反力通过撑杆将人体弹向空中从功能转换角度看，统一模式是：我先给你能量，你再把这些能量反馈给我，使我整体获得重心移动、重心升高、发生旋转、弹离地面的动能。地面虽然没有损失能量，但它的确提供、传递了能量给人体，对人体做了功。 有人说地面没有对人体做功，因为地面静止没动。但是，地面变形了，在恢复反弹时就可能对人体做功。再说句钻牛角尖的玩笑话，谁能肯定地面绝对没动？也许给人蹬动了一点点，只是测不出来而已？也许被亿万地球人的蹬地效果互相抵消了？

从牛顿第二定律来说，F=ma，人蹬地，对地施力使其产生变形。变形的地面同时对人产生动力型支撑反作用力是个外力，这个外力使人获得受力方向上的加速度，整体获得重心移动、重心升高、发生旋转、弹离地面的效果。力虽然不能传递，但力的作用效果(加速度、速度、动量、动能、功)是可以传递、可以叠加的。地面虽然没有发力，但它的确对人体提供、施加了外力，能使人体运动状态发生改变。（参见图4）

图4 蹬地产生的动力型支反力转换为击球力人体发力与地面的动力性支撑反作用力是击球力的共同来源，缺一不可。

也许，这才是乒乓球击球力的真实来源。

编辑于 2020-02-29 13:52