高远球如何打到底线？——从物理和生理层面解析发力原理

清风拂面1 · 发表于 2022-11-26 22:20:32

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高远球是羽毛球最重要的基础动作之一。打不远是初学者的通病，即使是高阶选手，也未必能说清楚其中的道道。陆续看了N多高远球视频，它们大多数从动作方面讲解，共通点就是其中的原理讲不透，需要个人去体会。如同某些做菜视频一样，加多少调料不给出数量说明，菜的味道就千差万别。

刚接触高远球规范动作时，感觉它与标枪的最后发力动作相似（中学曾接受过短期的标枪训练，所以有此体会）。网上搜索发现，有关羽毛球高远球的体育专业文献较少，而标枪的专业性文档相对较多，特别是发力的生理机能解释得较为正规，由于二者在发力环节的相似性，后面慢慢道来。

一、羽毛球飞行轨迹的物理建模

首先，我们从羽毛球的飞行轨迹来看看影响发力的主要因素。以下参考文献【1、2】。羽毛球经过球拍击打后，由于重力与空气阻力的影响，实测与羽毛球运动方程模拟得到的飞行轨迹如下图1（条件：羽毛球重量5g、截面积28cm^2、空气密度1.2kgm^(-3)、阻力系数0.65+/-0.05）。颜色不同的线对应不同的初始速度V0和出球角度theta0（初速度与水平方向的夹角）。蓝色：V0=19.8m/s，theta0=39°；黑色：V0=13.4m/s，theta0=58°；绿色：V0=24.7m/s，theta0=44°；深紫：V0=32.3m/s，theta0=12°；红色：V0=37.6m/s，theta0=38°。由于羽毛球场长13.4m（半场：发球线前1.98m+中场3.96m+单双打两底线间隔0.76m=6.7m），重点关注红线（对应高远球）。显然，影响射程的重要因素是羽毛球获得的初始速度和出球角度。当然，空气湿度也会影响射程，这也是为什么在干燥天气里需要蒸蒸球的缘故。由于跟个人发力无关，这里不做展开叙述。

图1、羽毛球飞行轨迹（不同的颜色线对应不同的初始速度和出球角度【1】）

再来看看羽毛球射程与初始速度、出球角度的关系（条件：羽毛球重量5.3g、截面积36cm^2、空气密度同上、阻力系数0.63），如下图2。每条弧线上的圆圈表示该初速度下达到最大射程的出球角度（最大射程角）。显然，初速度越小，最大射程角越大（至多45°），射程才能越远。初始速度170m/s（据【2】称目前最高初始速度，非杀球速度）时，最大射程约15.5m，此时最大射程角20°+。考虑到高远球至少要求从一方中场打到对方双打接发球底线才有讨论的意义，因此最大射程小于半场的弧线直接去掉（对应下面的三条弧线：v0=4、8、16）。可见有意义的初速度落在区间[32,173]、最大射程角落在区间[20°，30°]。注意到每条弧线的峰值两边较平，因此出球角度对应的区间可以宽泛到[15°,40°]。

图2、羽毛球射程与初始速度、出球角度的关系（来自【2】）

   现在，我们已经知道影响射程的关键因素是羽毛球的初始速度和出球角度。其中，出球角度与击球瞬间球拍和球的位置等有关，当落在[15°,40°]范围内、同一羽毛球初始速度条件下时，弧线顶部较平，射程变化相对不太大。而初始速度的变化对射程的影响较大，图2中v0从32变化到127，射程几乎呈线性增长。因此，当保持出球角度在区间[15°,40°]时，羽毛球的初始速度是影响射程的最大因素，显然，越大越好。

   那么，如何提高羽毛球的初始速度v0呢？以下换个视角，看看握拍者的出手速度u0。通常，业余爱好者的出手速度到羽毛球的初始速度的转换率小于1.0。问题就变成：如何提高各位羽毛球爱好者的出手速度u0？以下先从高远球的规范动作来看看力的传递。

二、高远球 vs. 标枪发力

   高远球的规范动作包括：侧身架拍->倒拍准备->蓄力、内旋挥拍->卸力收拍。包括侧身、蹬地、转髋、内旋、鞭打发力等多个细节。为什么需要这么复杂的技术？很少能从网上的羽毛球视频等各种材料中获得答案，基本上就是教动作细节，还不一定完整。回过头来翻阅标枪资料，反而能得到一些信息。

   标枪属于古代“五项竞技”之一，包括握枪助跑、最后发力和标枪出手三个阶段。其中最后发力阶段包括“满弓”和“鞭打”动作【3】，与高远球发力有相似之处：（1）满弓动作：右腿蹬地推送右髋加速前移，左脚制动支撑下肢运动突停而产生动量转移，且使身体的旁侧部位形成旋转力，从而提高右髋向投掷方向运动的速度和幅度，使髋轴超过肩轴，同时髋部牵引肩轴向投掷方向转动，在肩轴转动同时，投掷臂向上转动，带动前臂、手腕向上翻转，当上体转为正对投掷方向时，形成“满弓”姿势；（2）鞭打动作：此时投掷臂处于身后，弯曲的左腿迅速蹬伸，同时胸部尽量前送，被拉长的腰腹肌接着做强有力的收缩，依次带动大臂、小臂向前，做爆发性“鞭打”动作，使全身的力量通过手臂和手指作用于标枪纵轴。标枪出手的适宜角度约32°~38°。

   在这个发力阶段中，身体各环节用力顺序和速度变化要符合人体运动链的原理。人体参与用力的各环节肌肉群自下而上按严格的顺序依次用力，使人体各环节相继加速运动，然后依次减速，动量从质量较大的躯干依次向胸、肩、上臂、前臂、手腕、手指等各环节传递并不断得到积累、补充和合成，最后传到器械上，提高了标枪的初始速度。身体各环节的依次加速运动，造成相邻环节肌肉依次快速拉长，引起肌肉的有力收缩。因此，前一环节加速的结束是后一环节加速的开始，不仅体现了身体各环节合理的用力顺序，而且形成了身体各环节的速度变化曲线。这也正是羽毛球高远球发力中强调的动作完整性和连贯性，动作不能中断。

   标枪的最后用力技术是通过各环节良好的加速和制动，保证了身体动量的依次传递。其中，人体将由助跑获得的动量由下脚的制动依次向上传递，顺序为：左腿制动-髋制动-肩制动-肘制动-前臂的鞭打动作【4】。同理，高远球也需要各环节的制动来获得动量向上的传递。不同的是，由于没有助跑，左腿制动不明显。另外，由于发力末梢——羽毛球握拍和手持标枪的不同，羽毛球高远球中手指动作也不同，后面再讲。

   在标枪最后用力阶段中，要把全身力量通过投掷臂和手的动作在最短时间内把最大力量作用在标枪上，使之达到较大的出手速度。由动量原理，可知与投掷相关的肌肉的收缩力和最后的瞬间爆发力是决定出手速度的关键因素。其中，应动员尽可能多的主动肌的协同肌群参与收缩，并依次产生最大的收缩力，协调实现动量的叠加。因此，标枪的肌肉动作速度训练方法值得借鉴。羽毛球教练说的要多做挥拍训练，其实也是为了锻炼相关肌肉的力量和协调性，并产生肌肉记忆的一种锻炼方式。

   暂时写到这。下次有空再讲讲本人对鞭打发力原理的认识。

参考文献：
【1】Caroline Cohen, et al., The physics of badminton. New Journal of Physics, 17(6):063001, 2015.
【2】如何伪装成羽毛球高手？ - 知乎 (zhihu.com)
【3】掷标枪最后用力过程包括哪几个阶段？_百度知道 (baidu.com)
【4】标枪的鞭打动作怎样完成?可采用什么办法进行训练???_百度知道 (baidu.com)