高建光 李勝 林友豪 王廣濤 胡濤 苑宸凱

中圖分類號(hào)：G846? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)：A? ? ?文章編號(hào)：1009-9328（2021）02-077-03

摘? 要? 乒乓球材質(zhì)主要是綠色環(huán)保的醋酸纖維。為研究新型材料對(duì)乒乓球碰撞特征的影響，本研究運(yùn)用力學(xué)結(jié)合方式建立模型，考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)乒乓球碰撞影響因素，研究新型材料對(duì)乒乓球碰撞后的速度與接觸能量損失。研究表明反射速度跟入射角成正比，球體直徑與轉(zhuǎn)速射速相同情況下，新材料乒乓球與舊材料相比，球速增加3%。碰撞過(guò)程中，球與球拍接觸旋角增大，乒乓球體與對(duì)球拍接觸影響比較小，乒乓球入射角大時(shí)會(huì)使能量損失增加，在同一直徑擊打條件下，會(huì)使乒乓球能量損失大于舊材料乒乓球。由此可見，新材質(zhì)乒乓球?qū)\(yùn)動(dòng)員的水平構(gòu)成了一定影響。

關(guān)鍵詞? 乒乓球? 新材質(zhì)? 碰撞? 特性研究? 現(xiàn)狀分析

一、引言

乒乓球運(yùn)動(dòng)的發(fā)展歷經(jīng)了眾多階段，其技術(shù)也隨之快速發(fā)展，與此同時(shí)乒乓球器材材質(zhì)的改動(dòng)更關(guān)系著乒乓球運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)，也促使著規(guī)則逐漸改動(dòng)。乒乓球運(yùn)動(dòng)規(guī)則改變了大球小球等多項(xiàng)重大評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，每一項(xiàng)規(guī)則都影響了乒乓球技術(shù)和比賽的發(fā)展。即使這樣，乒乓球運(yùn)動(dòng)依然吸引了全世界眾多愛好者把時(shí)間投入其中。自倫敦奧運(yùn)會(huì)后，乒乓球運(yùn)動(dòng)又出現(xiàn)了新規(guī)定，其中最重要的就是改革了舊版材質(zhì)，舊材質(zhì)乒乓球退出百年歷史舞臺(tái)。之所以要以新材質(zhì)乒乓球替換舊材質(zhì)，在于舊材質(zhì)是有毒有害物質(zhì)，經(jīng)常接觸會(huì)對(duì)人體造成傷害。因此，本次改革的初衷是為運(yùn)動(dòng)員的健康著想。但是，任何改革都會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)產(chǎn)生很大的影響，比如打法技術(shù)、運(yùn)動(dòng)員的擊球感受、球場(chǎng)上的比賽戰(zhàn)術(shù)等。何況球體的材質(zhì)及體系都發(fā)生了變化，那么，運(yùn)動(dòng)員必須為熟悉新材質(zhì)而付出更多的汗水。

二、乒乓球運(yùn)動(dòng)革新

（一）乒乓球運(yùn)動(dòng)發(fā)展史

乒乓球運(yùn)動(dòng)在全世界已經(jīng)有百年的歷史。研究認(rèn)為，乒乓球運(yùn)動(dòng)是由網(wǎng)球逐漸衍生而來(lái)。乒乓球運(yùn)動(dòng)主要取決于國(guó)外其發(fā)展歷史，經(jīng)歷了歐洲乒乓球運(yùn)動(dòng)，從日本一直傳到中國(guó)，中國(guó)重整旗鼓打響了世界，時(shí)至今日，中國(guó)乒乓球在世界可謂獨(dú)孤求敗。乒乓球運(yùn)動(dòng)最初進(jìn)入我國(guó)是在20世紀(jì)初從日本傳入的。1935年，我國(guó)成立了乒乓球協(xié)會(huì)，并組織了新中國(guó)成立前的第一屆乒乓球國(guó)家賽。在1953年后，我國(guó)運(yùn)動(dòng)員開始參加國(guó)際賽事，向國(guó)外優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員學(xué)習(xí)，不斷豐富自己的技術(shù)，提高中國(guó)隊(duì)的實(shí)力。1965年是乒乓球運(yùn)動(dòng)的高峰，無(wú)論直拍快攻還是防守型打法，都在一系列賽事中取得了很好的成績(jī)。乒乓球中國(guó)隊(duì)從1959年取得第一個(gè)世界冠軍，后到2000年，共取得世界冠軍一百三十將近一百四十多次。21世紀(jì)初，國(guó)際乒乓球聯(lián)賽對(duì)賽程進(jìn)行了技術(shù)改革，包括2000年的小球變大球與分值改革、無(wú)遮擋發(fā)球，無(wú)疑使乒乓球運(yùn)動(dòng)發(fā)展史產(chǎn)生很多變化，是對(duì)乒乓球的一次重大改革。

（二）乒乓球改革對(duì)運(yùn)動(dòng)員技術(shù)的影響

至今為止，乒乓球相關(guān)打法、器材，訓(xùn)練等方面的改革數(shù)不勝數(shù)?？傊古仪蚣夹g(shù)發(fā)展是一個(gè)不斷創(chuàng)新的過(guò)程，涉及乒乓球運(yùn)動(dòng)的多個(gè)項(xiàng)目與技術(shù)創(chuàng)新，訓(xùn)練方式的創(chuàng)新，乒乓球運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目十分復(fù)雜，在創(chuàng)新過(guò)程中要妥善處理好繼承與項(xiàng)目特征，相互發(fā)展。首先有一次改動(dòng)由小球改成大球，體積發(fā)生變化，導(dǎo)致乒乓球在擊打過(guò)程中速度與旋轉(zhuǎn)都大幅度降低。由于球速跟旋轉(zhuǎn)受到了很大的限制，導(dǎo)致在比賽過(guò)程中擊打會(huì)對(duì)給對(duì)方造成的壓迫逐漸降低，因此回合數(shù)變多，這對(duì)運(yùn)動(dòng)員的體力是一個(gè)考驗(yàn)。在大球時(shí)代，乒乓球運(yùn)動(dòng)無(wú)疑對(duì)運(yùn)動(dòng)員的體能有了更高要求，為此，運(yùn)動(dòng)員加強(qiáng)了力量素質(zhì)訓(xùn)練。第二次規(guī)則改動(dòng)將原先的21分制改為了11分制，賽制的突然變更讓比賽的偶然性大大增加。每局比賽中，運(yùn)動(dòng)員依次只有兩個(gè)發(fā)球權(quán)，如此很難掌握對(duì)方的戰(zhàn)術(shù)，為此就需要快速調(diào)整自己打球的狀態(tài)，要求運(yùn)動(dòng)員必須將戰(zhàn)術(shù)，心理素質(zhì)相互結(jié)合。第三次改革是無(wú)遮擋發(fā)球，這一規(guī)則使得我國(guó)運(yùn)動(dòng)員的發(fā)球優(yōu)勢(shì)大大降低，運(yùn)動(dòng)員無(wú)法再靠發(fā)球搶攻和前三板的優(yōu)勢(shì)來(lái)決定比賽走勢(shì)，因此被迫要對(duì)前三板后的相持技術(shù)進(jìn)行更多訓(xùn)練。此外，禁膠令的出現(xiàn)也要求運(yùn)動(dòng)員跟教練在技術(shù)上必須有所突破。無(wú)機(jī)膠水的化學(xué)成分不同，用無(wú)膠水粘球拍，擊出的乒乓球力量更小、旋轉(zhuǎn)更弱。這就需要各國(guó)運(yùn)動(dòng)員及教練相互適應(yīng)，找到合適于自己的戰(zhàn)術(shù)和打法。而乒乓球球體材質(zhì)的改變對(duì)運(yùn)動(dòng)員技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)顯示，雖然新材質(zhì)球體的硬度、重量和彈跳數(shù)據(jù)與舊材質(zhì)沒有太大差異，但即便是一些小的差異，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的手感和技術(shù)來(lái)說(shuō)都能帶來(lái)較大的影響。不僅如此，新材質(zhì)球體采用上線接合工藝，而舊材質(zhì)球體則采用的是下線接合工藝，工藝的不同導(dǎo)致新材質(zhì)球的體積相對(duì)于舊材質(zhì)來(lái)說(shuō)稍微偏大。體積發(fā)生變化后，必定會(huì)對(duì)擊球后的旋轉(zhuǎn)及速度帶來(lái)變化。

三、碰撞特性分析

（一）新材質(zhì)乒乓球碰撞彈性分析

乒乓球在受到外力作用下會(huì)發(fā)生一定程度的形變。因?yàn)楸荣愔羞\(yùn)動(dòng)員的每一次擊球和每一次乒乓球的起跳，其球體外形都是可以恢復(fù)的，所以乒乓球的形變多數(shù)屬于彈性形變，但是如果外力超過(guò)乒乓球及彈性極限，就會(huì)出現(xiàn)不可復(fù)原的形變，這種形變稱為塑性形變，導(dǎo)致乒乓球會(huì)出現(xiàn)凹點(diǎn)或者破壞。

（二）新材質(zhì)乒乓球與球拍非彈性碰撞分析

當(dāng)兩個(gè)物體相互碰撞后，彼此分開產(chǎn)生機(jī)械能損失的碰撞叫作非完全彈性碰撞。實(shí)踐證明，對(duì)于材料相同的物體碰撞后分開的相對(duì)速度與碰撞得到是相對(duì)速度成正比。比例系數(shù)又通常稱作為恢復(fù)系數(shù)，這是由兩個(gè)材料各自的彈性程度決定。對(duì)于一般非完全彈性碰撞來(lái)說(shuō)，碰撞系數(shù)在1到0之間?；謴?fù)系數(shù)可以通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)測(cè)得出來(lái)，具體為將一種材料制成小球，另一種材料制成大型平板，小球從固定高度自由落到平板上，測(cè)得小球的反彈高度，建立碰撞模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。由動(dòng)量守恒定律可以算出碰撞前后速度和碰撞前小球的速度，由此獲得借助外力的速度和乒乓球的球拍系統(tǒng)發(fā)力情況下獲得的速度。三者速度有一個(gè)倍數(shù)關(guān)系。由此可以發(fā)現(xiàn)，不同碰撞對(duì)擊打乒乓球的影響是不同的。

（三）人體影響新材質(zhì)乒乓球與球拍碰撞特征

在乒乓球擊球時(shí)，運(yùn)動(dòng)員是用乒乓球拍與球進(jìn)行碰撞現(xiàn)象處理。碰撞的一方是球，另一方面，球拍在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)空間中發(fā)生碰撞的現(xiàn)象，碰撞時(shí)間一毫秒，碰撞力非常大，重力等忽略不計(jì)，可以采用動(dòng)量守恒定律進(jìn)行前后速度分析。可以得出，對(duì)出球而言，碰撞前的速度影響大于碰撞后球速，出球速度也隨球拍的質(zhì)量增大而增大。人體不是相對(duì)剛體，每個(gè)關(guān)節(jié)都有相對(duì)的緩沖組織，骨、骨骼、筋還會(huì)有一定程度的影響，所以骨關(guān)節(jié)傳力都有滯后的現(xiàn)象，全身發(fā)力一般需要300毫秒左右。實(shí)際上經(jīng)過(guò)各個(gè)傳遞環(huán)節(jié)后，與較遠(yuǎn)的肢體對(duì)球拍基本不可能在一秒內(nèi)發(fā)生同步，一秒內(nèi)離得遠(yuǎn)的肢體無(wú)法與球拍碰。離得遠(yuǎn)的肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與球和球拍碰撞沒有任何關(guān)系。另外，在擊球瞬間，人體往往處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以說(shuō)人體的重心很有可能沒有變化，甚至相反方向移動(dòng)。這種情況下，軀干對(duì)球的運(yùn)動(dòng)比較小。從人體力學(xué)擊球角度來(lái)看，人體依次加速使動(dòng)量傳遞給手，在球與球拍碰撞瞬間，人身的所有力量傳遞給球拍，自身速度已經(jīng)可以忽略不算。因此可說(shuō)，除手臂、球拍以外，人體的速度對(duì)擊球速度可以看作沒有關(guān)系。所以在球與球拍進(jìn)行碰撞質(zhì)量計(jì)算時(shí)，可以得出統(tǒng)一結(jié)論，球拍碰撞質(zhì)量不受人體影響。

（四）乒乓球與球拍碰撞過(guò)程分析

乒乓球在球與球拍開始接觸時(shí)，膠皮會(huì)受到球的擠壓產(chǎn)生形變，碰撞力傳遞到海綿層也會(huì)發(fā)生類似形變，隨著膠皮與海綿層形變?cè)黾?，球的阻力也?huì)逐漸增加，使球速度變小。由于摩擦受到的摩擦力逐漸增大，導(dǎo)致球進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)變化，改變運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)球與球拍速度達(dá)到零時(shí)，膠皮與海綿情形便恢復(fù)，球逐漸脫離，球拍與球受到的球拍力逐漸變小，導(dǎo)致球以新的速度，新的方向旋轉(zhuǎn)著球拍分離，此時(shí)球具有旋轉(zhuǎn)跟平滑兩種運(yùn)動(dòng)形式。因?yàn)榍蚺牡牟馁|(zhì)和底板膠皮厚度都是固定的，乒乓球以不同角度撞到海綿球拍時(shí)，會(huì)有不同的撞擊速率影響，當(dāng)角度為30°時(shí)，海綿厚度逐漸變小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得知，乒乓球反射隨海綿厚度增加快速減小，隨后又增加。隨入射角增加而減小，當(dāng)入射角為90°接觸碰撞后，球的速度隨海綿厚度先增大后減小，在厚度為0.3毫米時(shí)達(dá)到最小值，而后隨海綿厚度增大而增大，當(dāng)入射角45°時(shí)，球隨海綿厚度變化，與90°角類似趨勢(shì)，但是速度突變相對(duì)延后，整體速度高于后者。由此可見，乒乓球碰撞運(yùn)動(dòng)后隨海綿運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律為海綿越厚，反彈力度越大。實(shí)際上球的撞擊力無(wú)法穿透過(guò)厚的海綿，導(dǎo)致板底反彈無(wú)法充分發(fā)揮。但海綿如果太薄的話，會(huì)適得其反，如球沒有最大程度接觸球拍時(shí)，會(huì)導(dǎo)致底部反彈力不夠，無(wú)法將球打出，既得不到停留時(shí)間，又缺乏飛行后的持續(xù)力度。同理，固定球拍的材質(zhì)跟底都不變時(shí)，考慮乒乓球以不同角度射擊同一厚度海綿，得知當(dāng)海綿厚度相同時(shí)，由動(dòng)能最大的轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能，當(dāng)入射角一定時(shí)，海綿厚度增大，能提供更多的彈性勢(shì)能，故壓縮空間隨海綿厚度增大而出現(xiàn)增大趨勢(shì)。

（五）不同材質(zhì)球拍與乒乓球碰撞分析

不同材質(zhì)的乒乓球拍與乒乓球碰撞過(guò)程中，因?yàn)槠古仪蚺陌宓撞馁|(zhì)不同，接觸力不同，導(dǎo)致反彈速度也不盡相同。乒乓球拍底板材料一般用加碳纖維制成，當(dāng)乒乓球以10的入射速度與球拍垂直碰撞時(shí)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出，碰撞開始前沒有接觸力，但是碰撞后旋轉(zhuǎn)時(shí)間逐漸增加，接觸力也快速增加，達(dá)到最大峰值后接觸力消失?？梢钥闯觯虏馁|(zhì)板與球碰撞時(shí)接觸率大，約高出20%，加入碳纖維后，最大接觸力保持不變。而且比純木底板加入碳纖維后的極值點(diǎn)小，究其原因檜木彈性量小于舊材質(zhì)，因此碰撞后速度比較小，加入碳纖維后比例變化不大，因此新材質(zhì)底板速度速度雖增加，但增幅不大。直擊打各種底板與球碰撞的接觸時(shí)間，可以看出碰撞時(shí)間基本無(wú)差距，但是在底板中加入碳纖維后時(shí)間會(huì)減小，足足降低20%，碳纖維硬度比較大，混入底板后，乒乓球拍的硬度會(huì)增加，導(dǎo)致?lián)羟蛩俣瓤s小，乒乓球與球拍上的接觸時(shí)間，碰撞時(shí)間由此降低。研究不同材料底板對(duì)球拍性能隨入射速度變化而變化，會(huì)采用舊材料跟新材料加碳纖維進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，入射速度逐漸增大。由數(shù)據(jù)可以看出，反彈速度隨入射速度增大而增大，當(dāng)相同速度射入時(shí)，加碳纖維的底板反彈速度最大，檜木最小。相對(duì)于檜木加碳纖維可將反彈速度提高40%，在入射速度比較的13種底板中，其反彈速度也相差無(wú)幾，隨入射增加使舊材料的反彈速度增加緩慢，但是新材料反彈速度增加很快，因?yàn)槿肷渌俣容^低時(shí)碰撞形變小。能量轉(zhuǎn)化損失比較的三種底板，反映趨勢(shì)雖表現(xiàn)一致。只求速度達(dá)到一定值，使新材質(zhì)加碳纖維材質(zhì)球拍可以更好減小損失能量，轉(zhuǎn)化率高，損失較小。舊材料底板形狀過(guò)大，能量損失較多，可以看出新材料對(duì)高速球有很好的適應(yīng)性。三種球拍碰撞時(shí)間均與入射速度增加而減小，相比相同速度時(shí)舊材料接觸時(shí)間長(zhǎng)，新材料接觸時(shí)間短，因?yàn)榕f材料模量小，碰撞型面大，恢復(fù)緩慢。而新材料，碳纖維加強(qiáng)，底板碰撞形狀較小，相同入射程度下出球速度快，接觸時(shí)間短。

四、結(jié)語(yǔ)

從數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，新材料乒乓球與傳統(tǒng)材料乒乓球相比，在制作過(guò)程中工藝和特征發(fā)生了變化。新材料的硬度跟材料性能好，根據(jù)理論跟實(shí)際調(diào)查可以看出，新材料使用會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的打法跟戰(zhàn)略，因?yàn)榍蝮w硬度增加，對(duì)運(yùn)動(dòng)員體能要求也提高，但旋轉(zhuǎn)性能相對(duì)較低，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練可以使新動(dòng)員容易掌握新球運(yùn)動(dòng)形態(tài)，比賽回合多會(huì)增強(qiáng)比賽的觀賞能力。為此，各方還需要對(duì)新材料給予研究，以便對(duì)新材料硬度、抗擊打程度作出新的改進(jìn)。在不同的板材料制作過(guò)程中，球拍碰撞會(huì)導(dǎo)致接觸力整體變化，趨勢(shì)雖然相同，先重后經(jīng)，但是新材料接觸點(diǎn)之后不影響數(shù)據(jù)，底板材料對(duì)球的反彈速度影響比較明顯，材料彈性越大，反彈速度越大，新材料碳纖維能提高能量轉(zhuǎn)化率，提高反彈速度。

參考文獻(xiàn)：

[1]李江，李春，謝用民.復(fù)合材料乒乓球拍擊球特性研究[J].當(dāng)代體育科技，2020，10（15）：243-248.

[2]楊泓睿.球拍擊打乒乓球時(shí)的乒乓球受力分析[J].中學(xué)生數(shù)理化（學(xué)習(xí)研究），2017（10）：72-73.

[3]謝聰鋒，李春，任杰，施之皓，季云峰，丁勤衛(wèi).基于ANSYS Workbench的乒乓球碰撞仿真分析[J].運(yùn)動(dòng)，2017（16）：23-24.

[4]謝聰鋒，李春.乒乓球拍海綿特性碰撞動(dòng)力學(xué)分析[J].中國(guó)體育科技，2017，53（03）：140-145.

[5]黃睿，黃文文，任杰，施之皓.2種材料乒乓球與不同膠皮球拍碰撞的彈性對(duì)比[A].中國(guó)體育科學(xué)學(xué)會(huì)（China Sport Science Society）.2015第十屆全國(guó)體育科學(xué)大會(huì)論文摘要匯編（二）[C].中國(guó)體育科學(xué)學(xué)會(huì)（China Sport Science Society）：中國(guó)體育科學(xué)學(xué)會(huì)，2015.

[6]周光明.計(jì)算機(jī)圖形/圖像處理技術(shù)在乒乓球器材設(shè)計(jì)與檢測(cè)中的應(yīng)用研究[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2010.

[7]武秀根，鄭百林，賀鵬飛.乒乓球拍微結(jié)構(gòu)對(duì)乒乓球與球拍碰撞過(guò)程的研究[J].體育科研，2006（02）：59-61.

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