林青 王猛 田聯(lián)軍

(1.南京林業(yè)大學體育部 江蘇南京 210037; 2.南京林業(yè)大學機械電子工程學院 江蘇南京 210037)

羽毛球運動是一項全身運動的體育項目,運動量可以根據(jù)個人的年齡、性別、體質、運動水平和場地環(huán)境的特點而定。長期進行羽毛球鍛煉,可以使參與者心肺功能增強,神經(jīng)反應加快,肌肉協(xié)調性提高,力量和速度素質進一步提升。不僅于此,羽毛球運動的趣味性和觀賞性也是有目共睹的。因此羽毛球運動在我國乃至世界,受到越來越多人的熱愛與追捧。目前,在國內和國際比賽中使用的羽毛球拍品牌主要有YONEX、VICTOR、OLIVER、李寧等。隨著羽毛球運動的蓬勃發(fā)展,人們對羽毛球拍的性能特點日益重視。一般認為羽毛球拍的性能與其結構尺寸、材料、工藝等因素密切相關。在羽毛球拍的性能指標中,軟硬度是評價球拍性能的一項重要指標。因此,詳細準確了解羽毛球拍桿的軟硬度,對于普通消費者和專業(yè)運動員具有重要的意義。

羽毛球拍桿的軟硬度分為硬、稍硬、適中、稍軟、軟五個等級[3-4]。軟的羽毛球拍桿可以提升擊球的深度,節(jié)省力量。在球員力量相同的情況下,拍桿越軟對深度的控制性越好。然而,拍桿軟帶來球拍的阻力增大,減震性能降低,不利于對球的方向性控制。相反,硬的羽毛球拍桿其抗扭力性能提高,減震性能好,有利于對球方向性的控制。但是,拍桿越硬,球員在打球時越費力,容易造成手臂疲勞和受傷。因而,羽毛球拍桿偏軟適合力量小的,側重于防守的選手;羽毛球拍桿偏硬適合力量較大,側重于進攻的選手。在2008年北京奧運會羽毛球比賽中,中國選手林丹使用的球拍為AT700,拍桿硬度為特硬,拍桿結構為高彈性碳素,鎳鈦合金;韓國選手李龍大使用的球拍為AT800DE,拍桿硬度為硬,拍桿結構為高彈性碳素纖維,鎳鈦合金。由此可以看出前者側重于進攻,后者屬于攻防兼?zhèn)湫?。因?生產(chǎn)廠家或國家檢驗部門在檢測羽毛球拍時,如何用力學概念標明拍桿軟硬度,以及如何用現(xiàn)代測試手段準確測定拍桿軟硬度顯得尤為重要。

圖1 拍桿彈性試驗

圖2 力學模型

圖3 羽毛球拍簡化模型

1 彈性測試法測定拍桿的軟硬度

由現(xiàn)行的《中國人民共和國輕工行業(yè)標準——羽毛球拍》(QB/T2770-2006)可知[5],測定羽毛球拍桿的軟硬度方法為:將拍桿架在跨度l=230mm的兩支點上,紀錄中心點的高度H,在拍桿中心處施加靜壓力P(如圖1所示)。優(yōu)等品P=300N ,一等品P=250N。測量并紀錄拍桿受力點的高度H1,然后撤去靜壓力,測量并紀錄拍桿受力點的高度H2。

H——中心點的高度,單位為毫米(mm);

H1——受靜壓力P時拍桿受力點高度,單位為毫米(mm);

H2——卸去靜壓力P后拍桿受力點高度,單位為毫米(mm)。

拍桿加壓下垂115～120mm為硬;120～125mm為稍硬;125～130mm為適中;130～135mm為稍軟;135～140mm為軟,作為羽毛球軟硬度判定標準。

以上測試方案有諸多不足,一是軟硬度涉及羽毛球拍桿的結構尺寸、材料、形狀等因素;二是撓度測試法中,羽毛球拍桿的變形難以測準;三是現(xiàn)行測試方法涉及羽毛球拍桿的大撓度變形問題,等等。

2 隨機振動法確定拍桿的軟硬度

本文通過將羽毛球拍桿簡化成一個彈性元件,設計成單自由度的彈簧質量系統(tǒng),其簡化模型如圖2所示。用振動試驗法實測系統(tǒng)的固有頻率,運用振動力學和材料力學理論推導出羽毛球拍桿的抗彎剛度公式,從而計算出抗彎剛度值[2]。

由材料力學知,等截面簡支梁中點作用一載荷P,其力學簡化模型如圖3所示。

則梁中點的靜撓度為

由公式(3),可得羽毛球拍桿的剛度系數(shù)為

由振動力學知[1],單自由度的彈簧質量系統(tǒng)的固有頻率 f

則羽毛球拍桿的動剛度系數(shù)為

將公式(4)、(6)聯(lián)立,得羽毛球拍桿的抗彎剛度公式

因此,由公式(7)可知,只要測出彈簧質量系統(tǒng)的固有頻率,就可以計算出羽毛球拍桿的抗彎剛度EI。由公式(3)可知羽毛球拍桿的抗彎剛度EI反比于拍桿的變形撓度。抗彎剛度越大,羽毛球拍桿撓度越小,拍桿越硬;抗彎剛度越小,則拍桿的撓度越大,拍桿越軟。與現(xiàn)行彈性測試法相比,用抗彎剛度來標定羽毛球拍桿的軟硬度,更加的科學、精確。

3 語結

本文首先敘述了羽毛球拍桿的軟硬度對球拍使用性能的影響,然后分析了現(xiàn)行羽毛球拍桿的軟硬度測量方案的不足。本文主要運用振動力學和材料力學理論推導出羽毛球拍桿的抗彎剛度公式;采用振動試驗法測出羽毛球拍桿的固有頻率,利用公式(7)可計算出拍桿的抗彎剛度值;提出以抗彎剛度來標定羽毛球拍桿的軟硬度,可將其值直接在成品羽毛球拍桿上標出,供專業(yè)運動員及體育愛好者選擇。此方案科學、簡單、準確,建議作為羽毛球拍生產(chǎn)和檢驗的行業(yè)標準。

[1]扈英超.線性振動[M].北京:高等教育出版社,1983.

[2]賈民平,張洪亭,周劍英.測試技術[M].北京:高等教育出版社,2001.

[3]林青,金強.羽毛球拍質量及性能評價指標[J].中國體育運動材料與裝備,2010,24(1):28-29.

[4]朱其躍.羽毛球運動對改善社交焦慮人群現(xiàn)狀的作用[J].科技信息,2011,24(1):837.

[5]中華人民共和國輕工行業(yè)標準——羽毛球拍(QB/T2770-2006)[S].