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理论力学研究生来为大家澄清一些羽球运动中,物理学方面的常见误会。

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发表于 2011-6-16 16:34:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 猪的脚趾 于 2011-6-21 11:51 编辑

本人也是羽球的爱好者,打球四五年之久了。因为专业是是学力学,应该说在物理方面的知识会更丰富些吧。常看到论坛里对羽毛球的物理学解释有种种的误会,就来尝试一下,运用自己的专业知识,来分析一些羽球运动中的物理学现象吧。如果有疑问,大家可以共同探讨。

一,磅数越高,越容易把球打到后场,还是磅数越低,越容易把球打到后场?
      这个问题争论很多,每个人都有不同的感受。占主流的说法是磅数越高,拍面越硬,越不容易打到后场。但是也有相当部分的人有切身的感受,磅数越高,击球越干脆,用比较小的动作比较小的发力就能到后场,特别是在被动的时候,磅数越高发力感觉越清晰越集中。
      到底这两种说法哪个对?其实这两种说法都有对的成分,但也都不完全正确。拍子击球是一个碰撞的物理过程,如果有人还能回忆起高考物理的最后一题,经常就是小球神马的撞来撞去要求解的。
       我们先假设拍面和羽毛球是“正碰”的,“正碰”的意思就是击球的瞬间,拍子跟羽毛球的接触点与羽毛球的重心之间的连线,是垂直于拍面的。通俗的说,就是完全正拍面击球,而不是劈或者滑板的感觉。那么,如果假设拍子和球碰撞的速度一定,碰撞的角度是90度。磅数越高,拍子的弹性就越小,弹性越小,在碰撞过程中损失的能量就越小。根据能量守恒原理,在这种假设条件下,结果就是磅数越高,碰撞后,羽毛球的速度越快。通俗地说,就是磅数越高越容易打到后场了。

     但是这个问题没有这么简单。因为我们上面的结论有个基本假设,就是击球的时候是完全正拍面击球的。可是在现实中,完全正拍面击球可就不是那么容易实现了。特别是水平低的球友或者是初学者,看着他挺费劲地抡起胳膊打球,打到球的声音却是低沉的“噗噗”声,打完的球飞的没有什么力量。高手们打球的声音就是“啪啪”声,同样的动作球飞的很远。这个声音的不同,其实主要是来源于击球的时候拍子的角度没掌握好,一般初学者毛病都是击球点太低太靠后,击球的瞬间拍面是向后倾斜的。
     那么我们再来看,如果是斜拍面击球的情况。如果同样是斜拍面击球,高磅的拍子就有问题了,因为拍面很硬,对击球的角度的“宽容度”就比较小,容易产生劈和滑板的感觉。而低磅的球拍,因为拍线变形的时间长,变形的幅度大,就会产生“兜”的效果,把羽毛球给“兜”过去了。也就是说,低磅拍子在斜拍面击球的时候,对角度的“宽容度”较大,会更容易产生接近正拍面击球的效果。这时候,我们可以说,拍子的磅数越低越容易打到后场了。

     我们来总结一下,可以最终的击球效果可以排个序:高磅正拍面击球>低磅正拍面击球>低磅斜拍面击球>高磅斜拍面击球。说到这里大家就明白了,为啥这个问题大家各有各的感受了。羽球的爱好者水平各有高低,一般来说,水平越高,击球越精确,对拍面的角度控制的越好,越不容易出现斜拍面击球的情况,甚至在被动情况下,也能用身体的柔韧性来保证击球的角度,那么就可以用高磅的拍子,击球的效果会达到最佳。而对于水平低一些的球友,则应该选用低磅的拍子,因为这样可以有更好的“宽容度”,即使拍面略微有些不正,也可以得到不错的击球效果了。





可以看到,一个简单的物理过程,影响的因素却很多。针对每一种因素进行定性分析很容易,如果有了数据,定量分析也不难。最难的在于抓住主要因素,忽略次要因素。这就是为啥高中物理里面的定律基本上大家都耳熟能详的,但是遇到高考那些变态物理题很多人仍然晕头转向,不知道该用啥理论来分析了。
我是把拍子击球的过程当作一个瞬间过程,利用标准的碰撞理论进行分析的。考虑的因素有两个:碰撞过程中的能量损失问题和碰撞的角度问题。这位博士大哥是把击球的过程当作一个运动学过程,用力学和运动学理论进行分析的。考虑的因素是:碰撞过程中拍线的弹性形变量。

我也按博士大哥考虑的因素和分析过程来分析一下吧。如果不考虑拍线的质量和惯性,也不考虑拍线在形变过程中的能量损失,因为拍线的质量比起球拍和羽毛球来说比较小,参与形变的也仅仅是拍线中间位置的一部分,这个假设还算是合理的。这样就仅仅是把拍线简化成一个刚度很大的弹簧,把羽毛球简化成一个质量一定的小球。我们可以得到下面图示的这个模型。
                                    
在这个模型里,我们经常见到的是小球去撞带有弹簧的物体,也就是对应现实中的羽毛球去撞球拍。而我们要分析的过程是球拍有一定的速度去撞羽毛球,根据运动学理论,速度是相对的。所以就可以把这个过程当作小球撞物体,这两个过程是等价的,分析结果也会是一样的。

如果我们简化成了这样的模型,很多问题就很容易分析了。我们很容易可以得到下面的几个结论:
第一,弹簧的形变量跟小球的速度成正比。(因为弹簧被压缩到最大时候,弹簧所存储的能量和弹簧的形变量的平方是正比关系,而小球的动能也是和小球的速度的平方是正比关系。)

第二,弹簧的变形时间跟小球的速度无关,只跟弹簧的刚度和小球质量相关。(其实这个是震动学理论中的基本结论之一。举个例子说,音叉的震动频率跟它的形变量无关,只跟音叉自身性质:音叉的刚度和质量分布有关。再举个例子说,钟摆在摆动幅度小于5度的情况下,其摆动频率只跟摆杆的长度和钟摆的质量有关。也是因为钟摆的回复力可以近似看作跟摆动角度成正比,也就是跟弹簧-小球系统是同一个道理的。)这个结论通俗的说就是,羽毛球在拍线上停留的时间,只跟拍线的磅数有关(羽毛球质量一定的情况下),跟挥拍的速度无关。

第三,也是最重要的结论,弹簧恢复到原长的时刻,就是小球与弹簧分离的时刻,这时候弹簧的势能都已经转化成了小球的动能。不信我们做个受力分析就知道了。在弹簧恢复原长之前的任意时刻里,弹簧的回复力是超着小球的方向的。根据牛顿力学,这个力量会推动弹簧本身和小球做加速度运动。我们知道,整个过程中弹簧末端是一直和小球保持接触的,也就是说弹簧的末端的速度跟小球的速度是相同的。当弹簧回复到原长之后,回复力的方向就瞬间发生了改变。弹簧自身就开始做减速运动了,而这时小球还会保持原来的速度不变。也就是说小球在这个时刻和弹簧脱离接触。也就是说,无论弹簧的刚度如何,无论小球的质量如何,弹簧和小球脱离接触一定是在弹簧到达原长的那一瞬间。也就是说不会存在小球和弹簧脱离的时候,弹簧还处于压缩状态,来不及把能量传递给小球的情况出现的。
当然我们也可以用反证法来验证一下,假设弹簧还处于压缩状态,没有到达原长的位置,小球和弹簧已经脱离了接触了。我们来进行一下受力分析,看这种情况符合不符合物理学原理吧。如果弹簧还处于压缩状态,那么弹簧末端一定还受到朝上的回复力作用,也就是说弹簧末端还将处于加速状态。而小球跟弹簧脱离了接触,小球将会处于匀速状态。那这个就完全不符合逻辑了,前一刻弹簧末端还在和小球保持接触,下一刻弹簧仍然在以加速度向上,而小球保持原来速度不变,还能与弹簧末端脱离接触,这个是不可能实现的。
换用通俗的话讲,羽毛球离开拍面的瞬间,一定是拍线变形恢复到跟拍面水平的瞬间。在这个瞬间之前,拍线会一直推动羽毛球加速运动,而在这个瞬间之后,拍线由于回复力方向的改变,开始做减速运动,而羽毛球仍然会保持匀速离开拍面。

说个题外话,你附的图从美学角度来看很漂亮的。当然了,这个图是让你自己观点更加直观更加容易理解的,跟证明毫无关系。只是从图上看,22磅的拍子,在速度是4的时候,和速度是20的时候,击球的效果几乎是一样的。根据经验,如果击球的动作是一致的,挥拍速度越快,击球效果就会越好。不太明白你这arbitrary unit是怎样的一种Unit了,用5倍的速度,或者说25倍的击球能量,打出来的球飞得几乎一样了。




      最后针对一些网友的疑惑给些解释吧。碰撞过程的求解需要两个条件,一个是动量守恒,一个就是要知道在碰撞过程中的能量损失问题。高中物理经常把碰撞过程中的能量损失给忽略,那就是我们说的“完全弹性碰撞”。另外一个极端就是碰撞后两个物体粘在一起,我们称为“完全非弹性碰撞”。只有这两个条件都已知了,才能得到碰撞后物体的运动状态。光知道动量守恒不知道能量损失多少是无法求解的。
      有人认为拍线磅数高不一定能量损失小,并且举例说:用钢板打球肯定不会比用拍线打得更远。这个问题是这样的,要比较刚度和能量损失的关系的时候,必须要用同一种材料来比较。比如说,拍线,就得用磅数不同的拍线来比较。当拍线拉到20磅以上的时候,其中的差异就没有那么明显了。我们可以用拉得很松很松的拍线,比如10磅以下的,和高磅的比较,就会有比较直观的感受了。再比如,木头就有硬木和软木,硬木在碰撞中肯定是能量损失较小的。这个在碰撞过程中是一个基本规律,就是对于同一种材料或者物质,刚度大的碰撞越“干脆”,能量损失较小。如果有不信的,可以举出任何一个反例的话,就可以推翻我上面的结论了。
 楼主| 发表于 2011-6-16 16:36:45 | 显示全部楼层
本帖最后由 猪的脚趾 于 2011-6-16 17:04 编辑

二,杀球的“快”与“重”。
      其实这两个词都是概念,跟物理学知识关系不大。因为杀球的“快”和“重”都是一个形容词,也没有谁曾经给这两个词下个权威的解释。而在很多情况下我们还经常混用这两个词,都用来表示某位高手杀球的球速快。
      如果非要把这两个词的概念分个清楚。我们只能说,如何去解释才最合适,而不能说如何解释才正确了。举个类似的例子,有人要把“羽球爱好者”和“羽球球迷”这两个概念分清楚,并且说“爱好者”指的是那些喜欢打球超过喜欢看球的人,“球迷”指的是喜欢看球喜欢球星超过喜欢打球的人。然后别人就说了,闲着没事要把人分得那么清干什么?搞那么多概念又有什么用处了?
      杀球的“快”与“重”这两个概念也是同样如此,既然是闲着没事,我就尝试把两个概念分分清楚,看哪种解释最合理吧。

      杀球的“快”往往指高手们杀球的动作很突然,不给对方有充裕的预判时间和准备时间。举个例子说就像林丹抓到了对手的球路,很快的头顶一个点杀。球的绝对速度并不是非常快,但是效果却非常好,对手还没来得及回位就只能眼睁睁看着球落地了。这就是杀球的“快”。
      杀球的“重”就是指高手们杀球的力量非常大,比赛里测速机测出来速度越大,我们就可以称为这个杀球越“重”。就像傅海峰在后场的高高跃起杀球,对手已经摆好防守姿势,也完全能判断到傅海峰的击球节奏,但是因为傅海峰的力量太大,即使判断到了杀球的位置,拍子碰到了球,也是很难接出很高的质量。这个我们可以成为杀球的“重”。
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 楼主| 发表于 2011-6-16 16:37:44 | 显示全部楼层
占位备用
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发表于 2011-6-16 16:39:21 | 显示全部楼层
不无道理
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 楼主| 发表于 2011-6-16 16:39:33 | 显示全部楼层
占位备用
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发表于 2011-6-16 16:41:31 | 显示全部楼层
怎么说呢?我也是工学的,我觉得还是相对论。这个很容易明白。楼主还是很懂得思考的球友,支持。
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发表于 2011-6-16 16:46:28 | 显示全部楼层
楼主的说明很好的解释了 高磅数球拍 主动发力出球还是比地磅容易 被动的时候却比地磅不到位的情况

按个人感受 30磅的拍子要比28磅杀球有力  但高磅 尤其是YY的弓箭系列 对肘关节的损伤很严重
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发表于 2011-6-16 16:49:15 | 显示全部楼层
首页留名
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发表于 2011-6-16 16:50:09 | 显示全部楼层
很有道理 8错!!!
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发表于 2011-6-16 16:52:09 | 显示全部楼层
坐等支持
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发表于 2011-6-16 17:03:53 | 显示全部楼层
这个不对吧,用惯高磅的,用低磅也打不远.难道打高磅打的,力量变小了?还是用低磅正拍面击球没有斜拍面击球远?低磅有低磅的发力方法,高磅有高磅的发力方法,高磅低磅打的远或近,跟打球人的发力方法有直接关系.
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 楼主| 发表于 2011-6-16 17:06:18 | 显示全部楼层
这个不对吧,用惯高磅的,用低磅也打不远.难道打高磅打的,力量变小了?还是用低磅正拍面击球没有斜拍面击球远? ...
sjiax 发表于 2011-6-16 17:03



    低磅球拍在碰撞过程中能量损失大,如果在对拍面角度掌握的好的情况下,高磅的拍子确实比低磅拍子打得更远。
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发表于 2011-6-16 17:13:18 | 显示全部楼层
好的,知道了,以后提高精确度。
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发表于 2011-6-16 17:17:32 | 显示全部楼层
第二个解释不对,当然你让我说怎么才对我也不知道啊
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发表于 2011-6-16 17:36:04 | 显示全部楼层
学习学习
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发表于 2011-6-16 17:44:51 | 显示全部楼层
提高击球的精确度
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发表于 2011-6-16 17:58:37 | 显示全部楼层
别扯这些没什么大用的。

发力宗旨追求的是: 拍、球分离后羽球获得的的最大初速度, 杀的快,飞的远主要看这;   
追求的是击打时的拍头瞬间速度,而不是整个挥拍过程中的平均速度,球拍整体速度;
以上讨论都暂且不考虑拍面、磅数等其他因素。
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发表于 2011-6-16 18:04:39 | 显示全部楼层
有本事先能够把羽球击打的远,打的快再说。
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 楼主| 发表于 2011-6-16 19:16:15 | 显示全部楼层
别扯这些没什么大用的。

发力宗旨追求的是: 拍、球分离后羽球获得的的最大初速度, 杀的快,飞的远主要 ...
proflin 发表于 2011-6-16 17:58



    牛B,你应该教导一下林丹,别整天整个手胶新缠法,拍头搞个胶布之类的。要拍子击球的瞬间速度,可暂不考虑手胶、胶布作用。
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发表于 2011-6-16 22:29:00 | 显示全部楼层
定性分析这些问题基本靠得是物理天赋,学得再多也没用。苍蝇拍握法最容易正拍面击球,楼主你就用苍蝇拍握法吧。
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