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这种球像“章鱼”,速度最快减速也最快
这种球像“章鱼”,速度最快减速也最快
发布时间:2021/08/05 文章来源:科普中国-科普融合创作与传播

  出品:科普中国

  制作:韩桂来 (中国科学院力学研究所)

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  奥运赛场上,球速最快的是什么球?

  想必认真看了比赛的同学都能回答:羽毛球!

  那么,减速最快的是什么球?

  答案还是:羽毛球!

  这项运动咋这么特殊?我们一会通过三个实验来体验。

  

  图片来源:veer图库

  像“章鱼”的羽毛球,也太特别了!

  同奥运赛场上其他“球”相比,羽毛球是一种完全不同的球。我们首先来看一下羽毛球的结构,可分为半圆形的球头和长长的羽毛,乍一看并不像球,而更像是一只“章鱼”,而这只“章鱼”注定成为最特别的球类。

  羽毛球拍的拍头是一张紧绷的网,其轻质的长柄结构,有利于运动员更好地发力和击球,尤其是在激烈的“扣杀”过程中可以更猛烈地击打球头,使得羽毛球时速可以轻松超过300公里/小时。很多羽毛球选手经常能打出时速400公里的球,目前在比赛中的球速世界记录是426公里/小时,由来自丹麦的男双选手科丁2017年1月10日在印度羽毛球超级联赛上创造。

  那么问题来了,为什么轻飘飘的羽毛球速度能如此之快?

  羽毛球拍相对于其他球类的拍子是比较容易发力的,挥拍的时候,角速度非常大。球拍又伸出手臂那么长一段距离,所以线速度更快。并且,运动员在击球时还会利用手腕的作用进行强化,而羽毛球又比较轻,所以在击球的瞬间,羽毛球得到了极高的起始速度。

    

  中国羽毛球选手郑思维在2020年东京奥运会赛场上扣杀(图片来源:东京奥运会官方网站)

  问题又来了,与棒球、垒球相比,羽毛球的球场却不大,总长不过13.4米。如果羽毛球以每秒钟90米的速度在球场飞驰,那是何等恐怖的现象?但是我们看羽毛球比赛时,并不会觉得球速那么快。实际上,因为羽毛球特殊的身材,它也是“减速最快的球”,很多时候只能留下“半个抛物线”的痕迹,便直直落下。这又是为何呢?

  

  中国羽毛球选手陈雨菲在2020年东京奥运会上赛场上救球(图片来源:东京奥运会官方网站)

  为了让大家更容易理解羽毛球运动的独特之处,请大家不妨在脑中想象三个实验。

  三个实验,让你更理解羽毛球

  第一个实验:在太空中建立一个羽毛球场地,由两个固定在球场上的机器人激烈对打。

  在太空中,由于处于失重和真空状态,羽毛球在自由飞行过程中会保持匀速直线运动,直到一个机器人用球拍击打球头后改变其运动状态。我们可以来臆想一下这个击球的过程。

  羽毛球的质心(编者注:质量中心简称质心,指物质系统上被认为质量集中于此的一个假想点)靠近球头,在猛力击打羽毛球时,球头获得极高的瞬时速度,羽毛球能够在百分之二秒之内完成掉头翻身,并保持球头向前飞行。在这一瞬间,球头和羽毛部分的速度不一致,会导致羽毛球产生变形,羽毛会向内产生弯曲,变成一个“球柱”的形状,就好比一只章鱼并拢了所有布满吸盘的触须。

  

  图片来源:veer图库

  随着羽毛球向前飞行,羽毛的弹性会让其逐步恢复形状,又变成原先的“锥形”的形状,成为一只张牙舞爪的章鱼。羽毛球会以最大的速度飞行,大小和方向都不变。

  时速400公里的球飞来飞去,可能只有机器人能接到了,人眼无法看清球的轨迹。

  第二个实验:两个机器人在空间站里对打羽毛球。

  在空间站里,仍然是处于失重状态,与太空中不同之处就在于空间站中有空气,羽毛球的运动过程会受到空气的影响。

  击球之后,羽毛球像一只触须并拢的章鱼,速度极快,但空气的阻力与速度的平方成正比,在空气的高阻力下羽毛球速度减小,同时气流的作用会让羽毛球产生绕中心轴的旋转。

  然而,更为奇妙的是,旋转以及减速会加速羽毛张开的过程,从而进一步加快减速的过程,使得羽毛球就像一个逐渐张开的降落伞。因此,对方机器人击球后,羽毛球会处于一个极快的减速过程。如果空间站足够大,两个机器人距离稍远一些,这只羽毛球甚至可能会很快停在空中。

  第三个实验:两名运动员在地面上对打羽毛球。

  这时候,重力作用会让这个运动变得更加复杂。在太空和空间站中,羽毛球处于失重状态,会保持直线运动。而在地面上,重力会使得羽毛球处于更为复杂的抛体运动,其运动轨迹变得更加复杂。

  假设运动员击球后,羽毛球初始方向为水平方向。在飞行过程中,羽毛球在水平方向的速度会迅速减小,与在空间站中运行规律类似;而在竖直方向受重力作用,速度迅速增加,因此羽毛球在运动过程中其速度方向与水平方向的夹角会越来越大,其运动轨迹会迅速偏离水平直到落地。

  当运动员向对方后场打出高远球,当球到达对方上空时,水平方向速度较低,甚至可能造成羽毛球近似垂直地、快速落向地面。

  正是因为羽毛球对空气阻力的高度敏感,格外“弱不禁风”,所以羽毛球比赛场地对风速规定非常高,规定地面以上9米区域内风速不能大于0.2米/秒。而在不同海拔高度和气温环境下,空气密度不一样,使用的球重量也不一样,海拔和温度越高用的球越轻。正式比赛中,主办方会在每天开赛前对不同速度的球进行测试,测试选手会在球场底线发球至对面落点测试区,主办方再依结果选择用球。

  结语

  这里仅仅介绍了羽毛球从高速运动到减速的过程。而实际上,羽毛球运动除了对力量和速度有要求,还特别讲究技巧和战术,比如比赛中有大量的迷惑对手的假动作。运动员大量的训练以及对竞争对手的研究,让羽毛球比赛充满了意想不到的变数和眼花缭乱的场景。

  羽毛球的乐趣,大家不妨自己去体验吧!

  

  图片来源:veer图库