新材質(zhì)乒乓球與球拍碰撞特性研究

高建光 李勝 林友豪 王廣濤 胡濤 苑宸凱

中圖分類號：G846? ?文獻(xiàn)標(biāo)識：A? ? ?文章編號：1009-9328（2021）02-077-03

摘? 要? 乒乓球材質(zhì)主要是綠色環(huán)保的醋酸纖維。為研究新型材料對乒乓球碰撞特征的影響，本研究運(yùn)用力學(xué)結(jié)合方式建立模型，考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對乒乓球碰撞影響因素，研究新型材料對乒乓球碰撞后的速度與接觸能量損失。研究表明反射速度跟入射角成正比，球體直徑與轉(zhuǎn)速射速相同情況下，新材料乒乓球與舊材料相比，球速增加3%。碰撞過程中，球與球拍接觸旋角增大，乒乓球體與對球拍接觸影響比較小，乒乓球入射角大時會使能量損失增加，在同一直徑擊打條件下，會使乒乓球能量損失大于舊材料乒乓球。由此可見，新材質(zhì)乒乓球?qū)\(yùn)動員的水平構(gòu)成了一定影響。

關(guān)鍵詞? 乒乓球? 新材質(zhì)? 碰撞? 特性研究? 現(xiàn)狀分析

一、引言

乒乓球運(yùn)動的發(fā)展歷經(jīng)了眾多階段，其技術(shù)也隨之快速發(fā)展，與此同時乒乓球器材材質(zhì)的改動更關(guān)系著乒乓球運(yùn)動員的成績，也促使著規(guī)則逐漸改動。乒乓球運(yùn)動規(guī)則改變了大球小球等多項(xiàng)重大評分標(biāo)準(zhǔn)，每一項(xiàng)規(guī)則都影響了乒乓球技術(shù)和比賽的發(fā)展。即使這樣，乒乓球運(yùn)動依然吸引了全世界眾多愛好者把時間投入其中。自倫敦奧運(yùn)會后，乒乓球運(yùn)動又出現(xiàn)了新規(guī)定，其中最重要的就是改革了舊版材質(zhì)，舊材質(zhì)乒乓球退出百年歷史舞臺。之所以要以新材質(zhì)乒乓球替換舊材質(zhì)，在于舊材質(zhì)是有毒有害物質(zhì)，經(jīng)常接觸會對人體造成傷害。因此，本次改革的初衷是為運(yùn)動員的健康著想。但是，任何改革都會對運(yùn)動員的技術(shù)產(chǎn)生很大的影響，比如打法技術(shù)、運(yùn)動員的擊球感受、球場上的比賽戰(zhàn)術(shù)等。何況球體的材質(zhì)及體系都發(fā)生了變化，那么，運(yùn)動員必須為熟悉新材質(zhì)而付出更多的汗水。

二、乒乓球運(yùn)動革新

（一）乒乓球運(yùn)動發(fā)展史

乒乓球運(yùn)動在全世界已經(jīng)有百年的歷史。研究認(rèn)為，乒乓球運(yùn)動是由網(wǎng)球逐漸衍生而來。乒乓球運(yùn)動主要取決于國外其發(fā)展歷史，經(jīng)歷了歐洲乒乓球運(yùn)動，從日本一直傳到中國，中國重整旗鼓打響了世界，時至今日，中國乒乓球在世界可謂獨(dú)孤求敗。乒乓球運(yùn)動最初進(jìn)入我國是在20世紀(jì)初從日本傳入的。1935年，我國成立了乒乓球協(xié)會，并組織了新中國成立前的第一屆乒乓球國家賽。在1953年后，我國運(yùn)動員開始參加國際賽事，向國外優(yōu)秀運(yùn)動員學(xué)習(xí)，不斷豐富自己的技術(shù)，提高中國隊(duì)的實(shí)力。1965年是乒乓球運(yùn)動的高峰，無論直拍快攻還是防守型打法，都在一系列賽事中取得了很好的成績。乒乓球中國隊(duì)從1959年取得第一個世界冠軍，后到2000年，共取得世界冠軍一百三十將近一百四十多次。21世紀(jì)初，國際乒乓球聯(lián)賽對賽程進(jìn)行了技術(shù)改革，包括2000年的小球變大球與分值改革、無遮擋發(fā)球，無疑使乒乓球運(yùn)動發(fā)展史產(chǎn)生很多變化，是對乒乓球的一次重大改革。

（二）乒乓球改革對運(yùn)動員技術(shù)的影響

至今為止，乒乓球相關(guān)打法、器材，訓(xùn)練等方面的改革數(shù)不勝數(shù)。總之，乒乓球技術(shù)發(fā)展是一個不斷創(chuàng)新的過程，涉及乒乓球運(yùn)動的多個項(xiàng)目與技術(shù)創(chuàng)新，訓(xùn)練方式的創(chuàng)新，乒乓球運(yùn)動項(xiàng)目十分復(fù)雜，在創(chuàng)新過程中要妥善處理好繼承與項(xiàng)目特征，相互發(fā)展。首先有一次改動由小球改成大球，體積發(fā)生變化，導(dǎo)致乒乓球在擊打過程中速度與旋轉(zhuǎn)都大幅度降低。由于球速跟旋轉(zhuǎn)受到了很大的限制，導(dǎo)致在比賽過程中擊打會對給對方造成的壓迫逐漸降低，因此回合數(shù)變多，這對運(yùn)動員的體力是一個考驗(yàn)。在大球時代，乒乓球運(yùn)動無疑對運(yùn)動員的體能有了更高要求，為此，運(yùn)動員加強(qiáng)了力量素質(zhì)訓(xùn)練。第二次規(guī)則改動將原先的21分制改為了11分制，賽制的突然變更讓比賽的偶然性大大增加。每局比賽中，運(yùn)動員依次只有兩個發(fā)球權(quán)，如此很難掌握對方的戰(zhàn)術(shù)，為此就需要快速調(diào)整自己打球的狀態(tài)，要求運(yùn)動員必須將戰(zhàn)術(shù)，心理素質(zhì)相互結(jié)合。第三次改革是無遮擋發(fā)球，這一規(guī)則使得我國運(yùn)動員的發(fā)球優(yōu)勢大大降低，運(yùn)動員無法再靠發(fā)球搶攻和前三板的優(yōu)勢來決定比賽走勢，因此被迫要對前三板后的相持技術(shù)進(jìn)行更多訓(xùn)練。此外，禁膠令的出現(xiàn)也要求運(yùn)動員跟教練在技術(shù)上必須有所突破。無機(jī)膠水的化學(xué)成分不同，用無膠水粘球拍，擊出的乒乓球力量更小、旋轉(zhuǎn)更弱。這就需要各國運(yùn)動員及教練相互適應(yīng)，找到合適于自己的戰(zhàn)術(shù)和打法。而乒乓球球體材質(zhì)的改變對運(yùn)動員技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)顯示，雖然新材質(zhì)球體的硬度、重量和彈跳數(shù)據(jù)與舊材質(zhì)沒有太大差異，但即便是一些小的差異，對運(yùn)動員的手感和技術(shù)來說都能帶來較大的影響。不僅如此，新材質(zhì)球體采用上線接合工藝，而舊材質(zhì)球體則采用的是下線接合工藝，工藝的不同導(dǎo)致新材質(zhì)球的體積相對于舊材質(zhì)來說稍微偏大。體積發(fā)生變化后，必定會對擊球后的旋轉(zhuǎn)及速度帶來變化。

三、碰撞特性分析

（一）新材質(zhì)乒乓球碰撞彈性分析

乒乓球在受到外力作用下會發(fā)生一定程度的形變。因?yàn)楸荣愔羞\(yùn)動員的每一次擊球和每一次乒乓球的起跳，其球體外形都是可以恢復(fù)的，所以乒乓球的形變多數(shù)屬于彈性形變，但是如果外力超過乒乓球及彈性極限，就會出現(xiàn)不可復(fù)原的形變，這種形變稱為塑性形變，導(dǎo)致乒乓球會出現(xiàn)凹點(diǎn)或者破壞。

（二）新材質(zhì)乒乓球與球拍非彈性碰撞分析

當(dāng)兩個物體相互碰撞后，彼此分開產(chǎn)生機(jī)械能損失的碰撞叫作非完全彈性碰撞。實(shí)踐證明，對于材料相同的物體碰撞后分開的相對速度與碰撞得到是相對速度成正比。比例系數(shù)又通常稱作為恢復(fù)系數(shù)，這是由兩個材料各自的彈性程度決定。對于一般非完全彈性碰撞來說，碰撞系數(shù)在1到0之間?；謴?fù)系數(shù)可以通過具體實(shí)驗(yàn)測得出來，具體為將一種材料制成小球，另一種材料制成大型平板，小球從固定高度自由落到平板上，測得小球的反彈高度，建立碰撞模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。由動量守恒定律可以算出碰撞前后速度和碰撞前小球的速度，由此獲得借助外力的速度和乒乓球的球拍系統(tǒng)發(fā)力情況下獲得的速度。三者速度有一個倍數(shù)關(guān)系。由此可以發(fā)現(xiàn)，不同碰撞對擊打乒乓球的影響是不同的。

（三）人體影響新材質(zhì)乒乓球與球拍碰撞特征

在乒乓球擊球時，運(yùn)動員是用乒乓球拍與球進(jìn)行碰撞現(xiàn)象處理。碰撞的一方是球，另一方面，球拍在兩個相對運(yùn)動空間中發(fā)生碰撞的現(xiàn)象，碰撞時間一毫秒，碰撞力非常大，重力等忽略不計(jì)，可以采用動量守恒定律進(jìn)行前后速度分析?？梢缘贸?，對出球而言，碰撞前的速度影響大于碰撞后球速，出球速度也隨球拍的質(zhì)量增大而增大。人體不是相對剛體，每個關(guān)節(jié)都有相對的緩沖組織，骨、骨骼、筋還會有一定程度的影響，所以骨關(guān)節(jié)傳力都有滯后的現(xiàn)象，全身發(fā)力一般需要300毫秒左右。實(shí)際上經(jīng)過各個傳遞環(huán)節(jié)后，與較遠(yuǎn)的肢體對球拍基本不可能在一秒內(nèi)發(fā)生同步，一秒內(nèi)離得遠(yuǎn)的肢體無法與球拍碰。離得遠(yuǎn)的肢體運(yùn)動狀態(tài)與球和球拍碰撞沒有任何關(guān)系。另外，在擊球瞬間，人體往往處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以說人體的重心很有可能沒有變化，甚至相反方向移動。這種情況下，軀干對球的運(yùn)動比較小。從人體力學(xué)擊球角度來看，人體依次加速使動量傳遞給手，在球與球拍碰撞瞬間，人身的所有力量傳遞給球拍，自身速度已經(jīng)可以忽略不算。因此可說，除手臂、球拍以外，人體的速度對擊球速度可以看作沒有關(guān)系。所以在球與球拍進(jìn)行碰撞質(zhì)量計(jì)算時，可以得出統(tǒng)一結(jié)論，球拍碰撞質(zhì)量不受人體影響。

（四）乒乓球與球拍碰撞過程分析

乒乓球在球與球拍開始接觸時，膠皮會受到球的擠壓產(chǎn)生形變，碰撞力傳遞到海綿層也會發(fā)生類似形變，隨著膠皮與海綿層形變增加，球的阻力也會逐漸增加，使球速度變小。由于摩擦受到的摩擦力逐漸增大，導(dǎo)致球進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)變化，改變運(yùn)動速度，當(dāng)球與球拍速度達(dá)到零時，膠皮與海綿情形便恢復(fù)，球逐漸脫離，球拍與球受到的球拍力逐漸變小，導(dǎo)致球以新的速度，新的方向旋轉(zhuǎn)著球拍分離，此時球具有旋轉(zhuǎn)跟平滑兩種運(yùn)動形式。因?yàn)榍蚺牡牟馁|(zhì)和底板膠皮厚度都是固定的，乒乓球以不同角度撞到海綿球拍時，會有不同的撞擊速率影響，當(dāng)角度為30°時，海綿厚度逐漸變小。通過實(shí)驗(yàn)可以得知，乒乓球反射隨海綿厚度增加快速減小，隨后又增加。隨入射角增加而減小，當(dāng)入射角為90°接觸碰撞后，球的速度隨海綿厚度先增大后減小，在厚度為0.3毫米時達(dá)到最小值，而后隨海綿厚度增大而增大，當(dāng)入射角45°時，球隨海綿厚度變化，與90°角類似趨勢，但是速度突變相對延后，整體速度高于后者。由此可見，乒乓球碰撞運(yùn)動后隨海綿運(yùn)動變化規(guī)律為海綿越厚，反彈力度越大。實(shí)際上球的撞擊力無法穿透過厚的海綿，導(dǎo)致板底反彈無法充分發(fā)揮。但海綿如果太薄的話，會適得其反，如球沒有最大程度接觸球拍時，會導(dǎo)致底部反彈力不夠，無法將球打出，既得不到停留時間，又缺乏飛行后的持續(xù)力度。同理，固定球拍的材質(zhì)跟底都不變時，考慮乒乓球以不同角度射擊同一厚度海綿，得知當(dāng)海綿厚度相同時，由動能最大的轉(zhuǎn)化為彈性勢能，當(dāng)入射角一定時，海綿厚度增大，能提供更多的彈性勢能，故壓縮空間隨海綿厚度增大而出現(xiàn)增大趨勢。

（五）不同材質(zhì)球拍與乒乓球碰撞分析

不同材質(zhì)的乒乓球拍與乒乓球碰撞過程中，因?yàn)槠古仪蚺陌宓撞馁|(zhì)不同，接觸力不同，導(dǎo)致反彈速度也不盡相同。乒乓球拍底板材料一般用加碳纖維制成，當(dāng)乒乓球以10的入射速度與球拍垂直碰撞時，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出，碰撞開始前沒有接觸力，但是碰撞后旋轉(zhuǎn)時間逐漸增加，接觸力也快速增加，達(dá)到最大峰值后接觸力消失?？梢钥闯觯虏馁|(zhì)板與球碰撞時接觸率大，約高出20%，加入碳纖維后，最大接觸力保持不變。而且比純木底板加入碳纖維后的極值點(diǎn)小，究其原因檜木彈性量小于舊材質(zhì)，因此碰撞后速度比較小，加入碳纖維后比例變化不大，因此新材質(zhì)底板速度速度雖增加，但增幅不大。直擊打各種底板與球碰撞的接觸時間，可以看出碰撞時間基本無差距，但是在底板中加入碳纖維后時間會減小，足足降低20%，碳纖維硬度比較大，混入底板后，乒乓球拍的硬度會增加，導(dǎo)致?lián)羟蛩俣瓤s小，乒乓球與球拍上的接觸時間，碰撞時間由此降低。研究不同材料底板對球拍性能隨入射速度變化而變化，會采用舊材料跟新材料加碳纖維進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，入射速度逐漸增大。由數(shù)據(jù)可以看出，反彈速度隨入射速度增大而增大，當(dāng)相同速度射入時，加碳纖維的底板反彈速度最大，檜木最小。相對于檜木加碳纖維可將反彈速度提高40%，在入射速度比較的13種底板中，其反彈速度也相差無幾，隨入射增加使舊材料的反彈速度增加緩慢，但是新材料反彈速度增加很快，因?yàn)槿肷渌俣容^低時碰撞形變小。能量轉(zhuǎn)化損失比較的三種底板，反映趨勢雖表現(xiàn)一致。只求速度達(dá)到一定值，使新材質(zhì)加碳纖維材質(zhì)球拍可以更好減小損失能量，轉(zhuǎn)化率高，損失較小。舊材料底板形狀過大，能量損失較多，可以看出新材料對高速球有很好的適應(yīng)性。三種球拍碰撞時間均與入射速度增加而減小，相比相同速度時舊材料接觸時間長，新材料接觸時間短，因?yàn)榕f材料模量小，碰撞型面大，恢復(fù)緩慢。而新材料，碳纖維加強(qiáng)，底板碰撞形狀較小，相同入射程度下出球速度快，接觸時間短。

四、結(jié)語

從數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，新材料乒乓球與傳統(tǒng)材料乒乓球相比，在制作過程中工藝和特征發(fā)生了變化。新材料的硬度跟材料性能好，根據(jù)理論跟實(shí)際調(diào)查可以看出，新材料使用會影響運(yùn)動員的打法跟戰(zhàn)略，因?yàn)榍蝮w硬度增加，對運(yùn)動員體能要求也提高，但旋轉(zhuǎn)性能相對較低，經(jīng)過訓(xùn)練可以使新動員容易掌握新球運(yùn)動形態(tài)，比賽回合多會增強(qiáng)比賽的觀賞能力。為此，各方還需要對新材料給予研究，以便對新材料硬度、抗擊打程度作出新的改進(jìn)。在不同的板材料制作過程中，球拍碰撞會導(dǎo)致接觸力整體變化，趨勢雖然相同，先重后經(jīng)，但是新材料接觸點(diǎn)之后不影響數(shù)據(jù)，底板材料對球的反彈速度影響比較明顯，材料彈性越大，反彈速度越大，新材料碳纖維能提高能量轉(zhuǎn)化率，提高反彈速度。

參考文獻(xiàn)：

[1]李江，李春，謝用民.復(fù)合材料乒乓球拍擊球特性研究[J].當(dāng)代體育科技，2020，10（15）：243-248.

[2]楊泓睿.球拍擊打乒乓球時的乒乓球受力分析[J].中學(xué)生數(shù)理化（學(xué)習(xí)研究），2017（10）：72-73.

[3]謝聰鋒，李春，任杰，施之皓，季云峰，丁勤衛(wèi).基于ANSYS Workbench的乒乓球碰撞仿真分析[J].運(yùn)動，2017（16）：23-24.

[4]謝聰鋒，李春.乒乓球拍海綿特性碰撞動力學(xué)分析[J].中國體育科技，2017，53（03）：140-145.

[5]黃睿，黃文文，任杰，施之皓.2種材料乒乓球與不同膠皮球拍碰撞的彈性對比[A].中國體育科學(xué)學(xué)會（China Sport Science Society）.2015第十屆全國體育科學(xué)大會論文摘要匯編（二）[C].中國體育科學(xué)學(xué)會（China Sport Science Society）：中國體育科學(xué)學(xué)會，2015.

[6]周光明.計(jì)算機(jī)圖形/圖像處理技術(shù)在乒乓球器材設(shè)計(jì)與檢測中的應(yīng)用研究[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2010.

[7]武秀根，鄭百林，賀鵬飛.乒乓球拍微結(jié)構(gòu)對乒乓球與球拍碰撞過程的研究[J].體育科研，2006（02）：59-61.

?？诮?jīng)濟(jì)學(xué)院