乒乓球上旋球物理原理?
这个题目很好,可以加深对球类的理解。 羽毛球、乒乓球这类球类运动有个特点,就是规则要求双方必须打在有效区域(羽毛球)或有效部位(乒乓球)内才能得分。因此对于击球动作的评判,就有必要引入力学上的“最优”定义——以较小的力量,打出球速较快且轨迹较平的球,让对手难以还原(还击)。这就是人们通常所说的力矩(更准确的说法应是动能)大于对方。
由此,我们可引入一个评价指标来量化这个力矩的大小。假设球从手打到球拍上到弹起飞行的过程时间很短,可以认为速度是恒定不变的,这样便可将上述过程等效成一个力F作用在质量为m的物体上产生的功: F·m=(1/2)mv^2 从运动学的角度来讲,只要确定一个初始速度v0和一个末端速度vt即可求解出这一过程产生的功,进而求解出力F。当然实际上速度不是恒定的,存在一个波动范围,但可看成是在若干个定速过程中随机选取的一个,所以也可用这个初末速度求解出一个近似值作为力F的评价标准。 在实际中由于空气阻力与旋转等因素很难精确计算出速度的表达式,因此这个问题便成了一个复杂的问题,需要寻求一些近似的处理方法。在这里我们采取将球拍视作刚性转轴,把击球过程看做是一摆动过程来处理(实际比这要复杂些,不过影响不大)。
设物体的质量和转动惯量分别为m和J,最大速度为vm,最大角加速度为γm(注意这时已经不是一个恒定数值了!)。根据动力学知识可知,在此过程中产生的机械能E为: E=(1/2)mv^2+(1/2)Jω^2 由能量守恒可得,球从球拍到空中飞行过程中,重力做负功,空气阻力和球体旋转产生的阻力做正功,而空气阻力的系数与球体旋转的速度的平方成正比。要获得最小的E就必须使球体的转速最大,从而获得最大的力矩。因而,为了得到上旋球,就必须使球在接触球拍时具有较大的角加速。为此,需使拍面倾斜一定角度(一般约5度左右)并略向上翘起(这是为了避免击球瞬间球体过于“仰头”,导致无法控制而失分)。
当拍子抬起后,由于惯性作用,球会沿着弧线继续向前运动,此时球体的速度和角速度逐渐减小直至为零,于是机械能逐渐转化为其它形式的能而被消耗掉。最后当运动终止(球落到最低点并反弹回来)时,如果其速度小于触球时的速度,则说明能量消耗过多,这种打球方式是不合理的;反之,则是较为理想的受力状态,就能形成较好的上旋球。