Skip to content

月度归档: 2021年10月

排球物理课:要怎麽科学的发飘球呢?

对于发球,不少人都会有一个自己的方法,但要怎麽用一个客观的方式解释给更多人知道呢?所以我们就找来了毕业于加州理工学院(MIT)的Pete Heureux,他不仅拥有物理学学位,更是一个打了 20 多年的排球员。

解析物理

高速上旋发球(high-speed top-spin)令人生畏,但至少是可以预测的。任何不得不面对典型跳发球的人都知道球会怎麽过来。它的速度越快或旋转得越快,它向你的脚下坠落或落到你的肩膀后面的速度就越快。飘发球的物理原理是很直接的,当球旋转的时候,它会在球下方拖曳更多的空气,而球下的空气必须比顶部的空气移动得更快才能在相同的时间内通过。

伯努利原理(Bernoulli’s Principle)指出,速度越快的空气压力越低,因此顶部的气压越大,底部的气压越小,迫使球向下。球员对跳发做出反应的时间较少,但仍然可以对可预测的飞行路径做出直观的反应。

发球的时候需要考虑阻力的问题

相比之下,飘球(float serve)的物理原理保证你无法知道它要去哪裡。一个不旋转的球会受到阻力、升力和被称为「阻力危机」(drag crisis)之间不可预测的相互作用的影响。更好地了解这些力量的细节后,我们可以开始观察到底该如何操纵我们可以控制的两个变数:接触速度和角度。球一旦离开我们的手,我们就会相信物理学会接管为我们做好一切。

随着移动空气的速度从零增加,流过球体的空气以「层流」(laminar flow)的形式传播。球与移动的空气之间的摩擦会导致靠近表面的空气边界层形成。

在非常低的速度下,从前缘到后点,接触球的空气根本不会移动(相对于球)。当它摩擦下一层时,空气变慢,边界层的厚度是通过空气速度与接触球之前的空气距离表面多远来衡量的(图片中的直线)。 「阻力係数」(drag coefficient)是衡量空气粘在球表面上的顽强程度的指标,当球在空中移动得更快时,空气更难以保持在后缘。随着这些分子失去它们的附着力,球变得不那麽粘稠,阻力係数也会降低。

最终会出现一个速度,边界层根本不再能够保持在一起,并且它们沿着球的后缘某处脱离。这种状态称为「湍流」(drag coefficient)。

球完全进入湍流状态后,阻力显着降低

球完全进入湍流状态后,阻力显着降低,而这样从层流到湍流的转变又被称为「阻力危机」(drag crisis)。有许多因素有助于确定特定球将遭受这种剧烈变化的速度。球的大小和形状、表面的光滑度、空气中的空气以及天气都以一种複杂的方式相互作用,无法预测,只能在风洞中测量。物理学家已将导致这种状态变化的许多因素组合成一个单一的数字,他们称之为「雷诺数」(Reynolds Number,Re)。雷诺数考虑了空气的质量密度和粘度(主要取决于温度)、球的直径以及空气通过其表面的速度。

虽然所有这些因素都可能会因为不同的外在条件而有所改变,但速度才是让每一次发球有着最大差异的主要原因。球体达到真正湍流状态的速度在物理学中被称为「临界速度」(critical speed),若用数字理解,临界速度下的雷诺数可以在 170,000 到 300,000 之间变化。像这样的数字对我来说很难直观地感受到,因此出于实际目的,我将参考它们所代表的球速,这分别为我们提供了 10 m/s 和 25 m/s 之间的范围。如果是从底线发球并期望将球过网的最慢速度约为 12 m/s,而最好的职业选手可以以 30 m/s 左右的速度发起跳发球(jump serve),这是必会存在飘球的范围。

作为一名排球运动员,我看到这边不禁想着:下次我发球的时候,我的对手会有大麻烦。

总结

既然我们知道了发飘球的时候有可能会发生什麽,并且对球在飞行过程中移动的原因有了一些了解,我们如何实践呢?让我们快速回顾一下。

  1. 排球在减速时会遇到阻力危机(从低阻力跳到高阻力)。发生这种情况的速度取决于球的类型和空气条件。更光滑的球具有更高的速度阻力危机。较高的空气温度等于较低的临界速度。
  2. 在高速湍流过程中,排球将同时经历阻力和垂直升力,这些升力随速度的平方而增加。
  3. 飘球的不可预测性大约要抓 1至5公尺的落地范围。
  4. 上面列出的所有条件只发生在非旋转球上。

而当我们发球的时候,我们应该怎麽做?

  1. 避免让球翻滚!即使是最小的翻滚也会减少升力并将其限制在旋转方向,旋转还使阻力係数保持在阻力危机以上的区域。
  2. 评估装备,以确保你的球可以以最佳的方式度过阻力危机。
    • 光滑的球会比粗糙的球更快地送达
    • 更大、更轻的球可以比更小、更重的球更快地送达
    • 不必要的接触可能会导致更多的滚动。
  3. 评估各种条件将如何影响发球
    • 逆风可以更快地提供,以获得更多的升力和阻力;但顺风可以更慢,更接近阻力危机。
    • 站在发球线上可以有更多的时间和阻力来移动球;但是在瞄准临界速度时,从底线开始较慢的发球更容易控制。
    • 如果以临界速度为目标,则在天气热的时候发球速度会较慢,反之则会较快。
  4. 调整球的轨迹以考虑落地​​范围。
    • 由于重力,更高的弧度可以更快地开始和结束。当球从高处落下时,垂直运动可能会更大一些,但阻力只会减慢球的速度而不会改变其轨迹。平击发球(flat serve)更容易操作,因为它们几乎完全依赖于接触速度。
    • 瞄准线内。飘球应该要是可以移动,目标落地点距离边线至少 1 米,距离球网或基线至少 2 米。
  5. 避免让球翻滚!这件事真的重要到值得再说一遍。根据我的经验,击球越用力,球就越难控制。而当我越靠近基线,力道放软,我就越能准确地瞄准球的中心避免讓球翻滾!

真心的希望这篇文章可以带给你帮助,我自己的飘球也有因为研究了这篇文章,越来越上手。我能更好地看到球运动的变化,对风和手感的评估,还有我该怎麽站这些事情结合在一起,创造出最不可预测的结果。就让我们一起研究,一起在球场上见吧!加油!