球球的“內(nèi)涵”

層層疊疊，各司其職

不同球類(lèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)則不同，對(duì)球的結(jié)構(gòu)要求也不同?？偟膩?lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)球類(lèi)可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)分為空心球和實(shí)心球兩大類(lèi)。

對(duì)于大多數(shù)空心球（例如籃球、足球、排球、網(wǎng)球等）而言，它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大體可以分為內(nèi)膽和外殼——內(nèi)膽提供球的彈性，外殼的各層提供保護(hù)、支撐等功能。下面，讓我們以籃球?yàn)槔纯此木唧w結(jié)構(gòu)是什么樣子的。

通常，籃球內(nèi)部結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外分為4層——內(nèi)膽、纏紗、中胎、表皮。

內(nèi)膽：籃球比賽中，運(yùn)動(dòng)員通過(guò)不斷運(yùn)球（用單手連續(xù)拍按或雙手交替拍按由地面反彈起來(lái)的球）發(fā)起進(jìn)攻，這就要求籃球要有足夠好的彈性?；@球的內(nèi)膽如同人的心臟一般，是產(chǎn)生彈性的主力。它將空氣密閉起來(lái)，維持球體的氣壓。為了提供較好的彈性，內(nèi)膽往往采用較為柔軟且富有彈性的橡膠材料。

纏紗：打滿(mǎn)氣的內(nèi)膽就像一個(gè)圓鼓鼓的氣球，被尖銳物體輕輕一碰就可能爆破。為了保護(hù)內(nèi)膽，人們將紗線均勻地纏繞其上，形成由幾十層紗線構(gòu)成的纏紗層。一般情況下，1個(gè)籃球的纏紗層就需要耗費(fèi)超過(guò)2000米的紗線，紗線的選料為尼龍。如果纏紗層的質(zhì)量不好，可能會(huì)引起籃球鼓包、變形。

?籃球的剖面圖（繪圖/閆麗真）

中胎：包好纏紗的內(nèi)膽雖然彈性十足，但缺乏硬度，這會(huì)使其在使用中變形。因此，在兩者外部還需要再增加一層負(fù)責(zé)維持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的中胎。中胎通常也由橡膠材料制成。

表皮：籃球的表皮，便是我們平時(shí)觀察到的最外層結(jié)構(gòu)。我們的手和籃球反復(fù)不斷地貼緊、分離，所以，表皮不僅有保護(hù)作用，還需要提供合適的摩擦力，以防籃球在我們手中“滑走”。表皮的材料通常由聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）或牛皮等制成。

籃球中的物理知識(shí)

內(nèi)膽氣壓與彈性

如果籃球太久沒(méi)用，球中的氣壓變小，它的彈性就會(huì)大大降低；如果籃球剛剛充完氣，球中的氣壓較高，就會(huì)彈性很強(qiáng)，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出平時(shí)的彈跳水平。這是為什么呢？

在一次完整的籃球反彈過(guò)程中，它以一定速度與地面撞擊，并發(fā)生一定程度的形變，這種形變會(huì)吸收籃球撞擊前的大部分動(dòng)能。

當(dāng)籃球內(nèi)部氣壓較低時(shí)，動(dòng)能幾乎全部被籃球的外殼吸收。由于外殼沒(méi)有很高的彈性形變能力，這部分由外殼吸收的能量很難再次轉(zhuǎn)化為籃球的動(dòng)能，籃球也就很難反彈到之前的高度。

而當(dāng)籃球內(nèi)部氣壓較高時(shí)，籃球的動(dòng)能主要被其內(nèi)部充滿(mǎn)空氣的內(nèi)膽所吸收。內(nèi)膽因具有較高的彈性形變能力，會(huì)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能并迅速釋放，使球體擠壓地面?；@球受到的來(lái)自地面的支持力大于重力（地面給予的支持力方向向上，重力方向向下，籃球所受合力向上），因此獲得了一個(gè)向上的加速度；經(jīng)過(guò)加速的籃球再次獲得了與碰撞之前大小相同、方向相反的速度，最終回到我們的手中。

表皮結(jié)構(gòu)與摩擦力

根據(jù)上文，我們可以知道，表皮為籃球提供了合適的摩擦力（f）。摩擦力，即互相接觸的兩個(gè)物體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，阻礙它們產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力。它的大小正比于兩個(gè)物體之間擠壓的力的大?。‵）。

f=μ·F

在這個(gè)公式中，μ表示摩擦力和擠壓力兩者之間的系數(shù)，即摩擦系數(shù)。為了使我們?cè)谶\(yùn)球、投籃等過(guò)程中可以更加靈活地操控籃球，就要盡量減少籃球與手掌之間的相對(duì)滑動(dòng)，增大摩擦力。這也意味著，在互相擠壓的力不變的情況下，籃球與手掌之間的摩擦系數(shù)必須足夠大。

那么，如何提高摩擦系數(shù)呢？生活經(jīng)驗(yàn)或許可以提供答案——你一定可以發(fā)現(xiàn)，我們可以在平坦光滑的冰面上滑動(dòng)，卻很難在粗糙不平的水泥路上滑動(dòng)。就像前人總結(jié)各種物理規(guī)律一樣，我們也可以將這種現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)：在一般情況下，粗糙的表面摩擦系數(shù)大，光滑的表面摩擦系數(shù)小。因此，我們可以觀察到，籃球的表皮具有獨(dú)特的凹凸不平的坑洼結(jié)構(gòu)，這便是為了增加摩擦系數(shù)、為使用者提供合適的摩擦力而設(shè)計(jì)的。

許多運(yùn)動(dòng)球類(lèi)誕生之初，它們的結(jié)構(gòu)和用料與如今相差甚遠(yuǎn)。人們將科學(xué)成果運(yùn)用到球類(lèi)的制造中，完善結(jié)構(gòu)、更新用料，并形成了成熟的生產(chǎn)系統(tǒng)，讓我們每個(gè)人都能更好地享受運(yùn)動(dòng)的快樂(lè)。科學(xué)與運(yùn)動(dòng)都是人類(lèi)憑借創(chuàng)造力不斷突破自我的過(guò)程，向著“更高，更快，更強(qiáng)”的目標(biāo)不斷前進(jìn)！

摩擦力作用示意圖（供圖/ 史金陽(yáng)）

知識(shí)拓展? 實(shí)心球的“內(nèi)心”

高爾夫球

高爾夫球是一種典型的實(shí)心小球。按照剖面結(jié)構(gòu)，高爾夫球可以分成單層球、雙層球、三層球和多層球。

單層球被稱(chēng)為一體球，整體由一塊硬材料壓制而成，只在表面涂有一層聚合物材料。單層球雖然十分耐用，但性能較差。

雙層球即在橡膠球心外添加了一層外殼。這層外殼可以保護(hù)內(nèi)部球心不變形，它的材料通常為塑料，質(zhì)地不同也會(huì)給高爾夫球帶來(lái)不同的性能。雙層球也是高爾夫愛(ài)好者較常用的球。

不難想到，擊球的力越大，球就越容易變形。專(zhuān)業(yè)的高爾夫選手往往可以打出非常大力的一擊。為了讓高爾夫球在各種擊球力度下都可以產(chǎn)生最佳結(jié)果，三層球、多層球便誕生了。為了增加高爾夫球的強(qiáng)度、改變球體的重量分布，有的球心和外殼中還會(huì)添加鈦、鎢和鎂等金屬粉末。

棒球

棒球分為硬式棒球和軟式棒球：硬式棒球?yàn)閷?shí)心球，軟式棒球?yàn)榭招那?。但由于軟式棒球的使用情況較少，此處僅討論硬式棒球的結(jié)構(gòu)。

硬式棒球的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，它以軟木、橡膠或其他材料為內(nèi)芯，在內(nèi)芯外包裹絲線，再用兩片馬皮或牛皮縫制成緊實(shí)的外殼。