羽毛球拍桿軟硬度的測(cè)試方法研究

林青 王猛 田聯(lián)軍

(1.南京林業(yè)大學(xué)體育部 江蘇南京 210037; 2.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 江蘇南京 210037)

羽毛球運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)全身運(yùn)動(dòng)的體育項(xiàng)目,運(yùn)動(dòng)量可以根據(jù)個(gè)人的年齡、性別、體質(zhì)、運(yùn)動(dòng)水平和場(chǎng)地環(huán)境的特點(diǎn)而定。長期進(jìn)行羽毛球鍛煉,可以使參與者心肺功能增強(qiáng),神經(jīng)反應(yīng)加快,肌肉協(xié)調(diào)性提高,力量和速度素質(zhì)進(jìn)一步提升。不僅于此,羽毛球運(yùn)動(dòng)的趣味性和觀賞性也是有目共睹的。因此羽毛球運(yùn)動(dòng)在我國乃至世界,受到越來越多人的熱愛與追捧。目前,在國內(nèi)和國際比賽中使用的羽毛球拍品牌主要有YONEX、VICTOR、OLIVER、李寧等。隨著羽毛球運(yùn)動(dòng)的蓬勃發(fā)展,人們對(duì)羽毛球拍的性能特點(diǎn)日益重視。一般認(rèn)為羽毛球拍的性能與其結(jié)構(gòu)尺寸、材料、工藝等因素密切相關(guān)。在羽毛球拍的性能指標(biāo)中,軟硬度是評(píng)價(jià)球拍性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此,詳細(xì)準(zhǔn)確了解羽毛球拍桿的軟硬度,對(duì)于普通消費(fèi)者和專業(yè)運(yùn)動(dòng)員具有重要的意義。

羽毛球拍桿的軟硬度分為硬、稍硬、適中、稍軟、軟五個(gè)等級(jí)[3-4]。軟的羽毛球拍桿可以提升擊球的深度,節(jié)省力量。在球員力量相同的情況下,拍桿越軟對(duì)深度的控制性越好。然而,拍桿軟帶來球拍的阻力增大,減震性能降低,不利于對(duì)球的方向性控制。相反,硬的羽毛球拍桿其抗扭力性能提高,減震性能好,有利于對(duì)球方向性的控制。但是,拍桿越硬,球員在打球時(shí)越費(fèi)力,容易造成手臂疲勞和受傷。因而,羽毛球拍桿偏軟適合力量小的,側(cè)重于防守的選手;羽毛球拍桿偏硬適合力量較大,側(cè)重于進(jìn)攻的選手。在2008年北京奧運(yùn)會(huì)羽毛球比賽中,中國選手林丹使用的球拍為AT700,拍桿硬度為特硬,拍桿結(jié)構(gòu)為高彈性碳素,鎳鈦合金;韓國選手李龍大使用的球拍為AT800DE,拍桿硬度為硬,拍桿結(jié)構(gòu)為高彈性碳素纖維,鎳鈦合金。由此可以看出前者側(cè)重于進(jìn)攻,后者屬于攻防兼?zhèn)湫?。因?生產(chǎn)廠家或國家檢驗(yàn)部門在檢測(cè)羽毛球拍時(shí),如何用力學(xué)概念標(biāo)明拍桿軟硬度,以及如何用現(xiàn)代測(cè)試手段準(zhǔn)確測(cè)定拍桿軟硬度顯得尤為重要。

圖1 拍桿彈性試驗(yàn)

圖2 力學(xué)模型

圖3 羽毛球拍簡(jiǎn)化模型

1 彈性測(cè)試法測(cè)定拍桿的軟硬度

由現(xiàn)行的《中國人民共和國輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——羽毛球拍》(QB/T2770-2006)可知[5],測(cè)定羽毛球拍桿的軟硬度方法為:將拍桿架在跨度l=230mm的兩支點(diǎn)上,紀(jì)錄中心點(diǎn)的高度H,在拍桿中心處施加靜壓力P(如圖1所示)。優(yōu)等品P=300N ,一等品P=250N。測(cè)量并紀(jì)錄拍桿受力點(diǎn)的高度H1,然后撤去靜壓力,測(cè)量并紀(jì)錄拍桿受力點(diǎn)的高度H2。

H——中心點(diǎn)的高度,單位為毫米(mm);

H1——受靜壓力P時(shí)拍桿受力點(diǎn)高度,單位為毫米(mm);

H2——卸去靜壓力P后拍桿受力點(diǎn)高度,單位為毫米(mm)。

拍桿加壓下垂115～120mm為硬;120～125mm為稍硬;125～130mm為適中;130～135mm為稍軟;135～140mm為軟,作為羽毛球軟硬度判定標(biāo)準(zhǔn)。

以上測(cè)試方案有諸多不足,一是軟硬度涉及羽毛球拍桿的結(jié)構(gòu)尺寸、材料、形狀等因素;二是撓度測(cè)試法中,羽毛球拍桿的變形難以測(cè)準(zhǔn);三是現(xiàn)行測(cè)試方法涉及羽毛球拍桿的大撓度變形問題,等等。

2 隨機(jī)振動(dòng)法確定拍桿的軟硬度

本文通過將羽毛球拍桿簡(jiǎn)化成一個(gè)彈性元件,設(shè)計(jì)成單自由度的彈簧質(zhì)量系統(tǒng),其簡(jiǎn)化模型如圖2所示。用振動(dòng)試驗(yàn)法實(shí)測(cè)系統(tǒng)的固有頻率,運(yùn)用振動(dòng)力學(xué)和材料力學(xué)理論推導(dǎo)出羽毛球拍桿的抗彎剛度公式,從而計(jì)算出抗彎剛度值[2]。

由材料力學(xué)知,等截面簡(jiǎn)支梁中點(diǎn)作用一載荷P,其力學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

則梁中點(diǎn)的靜撓度為

由公式(3),可得羽毛球拍桿的剛度系數(shù)為

由振動(dòng)力學(xué)知[1],單自由度的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率 f

則羽毛球拍桿的動(dòng)剛度系數(shù)為

將公式(4)、(6)聯(lián)立,得羽毛球拍桿的抗彎剛度公式

因此,由公式(7)可知,只要測(cè)出彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率,就可以計(jì)算出羽毛球拍桿的抗彎剛度EI。由公式(3)可知羽毛球拍桿的抗彎剛度EI反比于拍桿的變形撓度。抗彎剛度越大,羽毛球拍桿撓度越小,拍桿越硬;抗彎剛度越小,則拍桿的撓度越大,拍桿越軟。與現(xiàn)行彈性測(cè)試法相比,用抗彎剛度來標(biāo)定羽毛球拍桿的軟硬度,更加的科學(xué)、精確。

3 語結(jié)

本文首先敘述了羽毛球拍桿的軟硬度對(duì)球拍使用性能的影響,然后分析了現(xiàn)行羽毛球拍桿的軟硬度測(cè)量方案的不足。本文主要運(yùn)用振動(dòng)力學(xué)和材料力學(xué)理論推導(dǎo)出羽毛球拍桿的抗彎剛度公式;采用振動(dòng)試驗(yàn)法測(cè)出羽毛球拍桿的固有頻率,利用公式(7)可計(jì)算出拍桿的抗彎剛度值;提出以抗彎剛度來標(biāo)定羽毛球拍桿的軟硬度,可將其值直接在成品羽毛球拍桿上標(biāo)出,供專業(yè)運(yùn)動(dòng)員及體育愛好者選擇。此方案科學(xué)、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確,建議作為羽毛球拍生產(chǎn)和檢驗(yàn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

[1]扈英超.線性振動(dòng)[M].北京:高等教育出版社,1983.

[2]賈民平,張洪亭,周劍英.測(cè)試技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2001.

[3]林青,金強(qiáng).羽毛球拍質(zhì)量及性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[J].中國體育運(yùn)動(dòng)材料與裝備,2010,24(1):28-29.

[4]朱其躍.羽毛球運(yùn)動(dòng)對(duì)改善社交焦慮人群現(xiàn)狀的作用[J].科技信息,2011,24(1):837.

[5]中華人民共和國輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——羽毛球拍(QB/T2770-2006)[S].