物理小論文——乒乓球中的物理原理

1、乒乓球中的物理原理作者：機(jī)91 周斌摘要：在乒乓球運(yùn)動(dòng)中，由于旋轉(zhuǎn)的球上下方空氣流速不一樣，根據(jù)伯努利方程，流速大的一方壓強(qiáng)小而流速小的一方壓強(qiáng)大，這就導(dǎo)致了乒乓球在行進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)了彎曲軌道，即弧線(xiàn)球。乒乓球不同類(lèi)型的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的弧線(xiàn)不一樣，也使球前進(jìn)的速度不一樣，選手可通過(guò)球的運(yùn)行速度來(lái)判斷球的旋轉(zhuǎn)方式。球沾水后對(duì)接球一方回?fù)粢灿泻艽笥绊?。關(guān)鍵詞： 旋轉(zhuǎn) 空氣流速 弧線(xiàn)乒乓球作為我國(guó)的國(guó)球深受人們的喜愛(ài)，乒乓球運(yùn)動(dòng)適合于各階段人群，運(yùn)動(dòng)量不大，但對(duì)控制要求很高。我國(guó)是乒乓球運(yùn)動(dòng)強(qiáng)國(guó)，選手眾多，人才濟(jì)濟(jì)，每所學(xué)校都會(huì)有乒乓球設(shè)施供學(xué)生運(yùn)動(dòng)之用。我們身邊熟悉的乒乓球背后也蘊(yùn)含著很多物理原理。一.

2、乒乓球弧線(xiàn)的產(chǎn)生首先我們先對(duì)球拍擊球瞬間做受力分析，乒乓球受到一個(gè)徑向向下的撞擊力，受到一個(gè)沿切線(xiàn)方向的摩擦力，還受到一個(gè)重力，由于乒乓球質(zhì)量很小，重力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于撞擊力和摩擦力，所以重力可以忽略不計(jì)，同時(shí)球還受到周邊空氣的作用力，此力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于撞擊力和摩擦力。撞擊力和摩擦力的合力方向即是乒乓球的初始飛行方向。離開(kāi)球拍后，球受到兩個(gè)力：重力和空氣阻力，而空氣阻力是主要的。下面以下旋球?yàn)槔f(shuō)說(shuō)產(chǎn)生弧線(xiàn)的原因。在擊球脫離的瞬間球得到了兩個(gè)速度，一個(gè)是v1向前下方；另一個(gè)是順時(shí)針?lè)较蚪撬俣?，由于1的存在，球上部與空氣的相對(duì)速度大于球下部與空氣的相對(duì)速度，根據(jù)伯努利方程造成下部靜壓力大于上部靜壓力，這就

3、形成一個(gè)向上的推力，此力與重力的合力給了球一個(gè)向下的加速度，球的實(shí)際速度為v2。由于球在運(yùn)動(dòng)中與空氣的摩擦，角速度1和實(shí)際速度v2都在迅速下降，角速度1形成的向上的推力不足以克服球的重力。于是在球的重力與速度v1的共同作用下，球迅速地向前下方形成弧線(xiàn)。這就是弧圈球在落點(diǎn)之前的現(xiàn)象。所以，下旋球的弧線(xiàn)是向下的；上旋球的弧線(xiàn)向下趨勢(shì)比下旋球更大；而側(cè)旋球的弧線(xiàn)則是向兩側(cè)。在實(shí)際比賽中球的運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的，球旋轉(zhuǎn)的方向不僅僅是上下旋和側(cè)旋，而是側(cè)上，側(cè)下相結(jié)合，所以實(shí)際乒乓球運(yùn)動(dòng)軌跡是幾個(gè)弧線(xiàn)的合軌跡。二. 上下側(cè)旋球的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)1. 上旋球發(fā)球時(shí)選手將球拍斜向下?lián)羟?，使球得到一個(gè)向前的平動(dòng)速度和一個(gè)順時(shí)

4、針?lè)较蚪撬俣?，在重力，空氣向上的推力和空氣阻力的作用下向斜下方運(yùn)動(dòng)。當(dāng)碰到自己一方的球臺(tái)和對(duì)方臺(tái)面時(shí)，在球與臺(tái)面接觸點(diǎn)，球受到臺(tái)面給的兩個(gè)靜摩擦力，一個(gè)是臺(tái)面給的相對(duì)于平動(dòng)速度反向的靜摩擦力，另一個(gè)靜摩擦力由于球旋轉(zhuǎn)的方向與球前進(jìn)方向相反，所以該力向前，這個(gè)力就使球平動(dòng)的速度加大，這就是為什么上旋球球速較快的原因。對(duì)于接球一方來(lái)說(shuō)，由于球速很快，一般是在球的上升期觸球，如果將球拍豎直發(fā)力，反彈球獲得一個(gè)斜向上的平動(dòng)速度和相對(duì)平動(dòng)速度順時(shí)針?lè)较蚪撬俣?，這時(shí)球會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，一般情況下會(huì)直接出臺(tái)面，導(dǎo)致失分。所以選手在接上旋球時(shí)要將球拍斜向下發(fā)力，讓反彈球獲得的平動(dòng)速度的豎直向上的分量減小，這樣可使球

5、能發(fā)在對(duì)方球臺(tái)上。值得注意的是，反彈球也將是上旋球。一般情況下選手拉過(guò)去的弧線(xiàn)球?yàn)樯闲颍ㄒ灿袀?cè)旋和側(cè)上旋的情況），速度快，力量大，進(jìn)攻性很強(qiáng)，適合快攻打法。2. 下旋球下旋球和上旋球則相反，發(fā)球時(shí)選手將球拍斜向上擊球，使球得到一個(gè)向前的平動(dòng)速度和一個(gè)逆時(shí)針?lè)较蚪撬俣龋谥亓?，空氣向上的推力和空氣阻力的作用下向斜下方運(yùn)動(dòng)。當(dāng)碰到自己一方的臺(tái)球和對(duì)方臺(tái)面時(shí)，在球與臺(tái)面接觸點(diǎn)，球也將受到臺(tái)面給的兩個(gè)靜摩擦力，一個(gè)是臺(tái)面給的相對(duì)于平動(dòng)速度反向的靜摩擦力，另一個(gè)靜摩擦力由于球旋轉(zhuǎn)的方向與球前進(jìn)方向相同，所以該力向后，這兩個(gè)力就使球平動(dòng)的速度減小，這就是為什么下旋球球速較慢的原因。對(duì)于接球一方來(lái)說(shuō)，由于

6、球速很慢，一般是在球的下降期觸球，如果將球拍豎直發(fā)力，反彈球獲得一個(gè)斜向下的平動(dòng)速度和相對(duì)平動(dòng)速度逆時(shí)針?lè)较蚪撬俣?，這時(shí)球會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，一般情況下會(huì)直接下網(wǎng)，導(dǎo)致失分。所以選手在接下旋球時(shí)要將球拍斜向上發(fā)力，讓反彈球獲得的平動(dòng)速度的豎直向下的分量減小，這樣可使球能越過(guò)球網(wǎng)，打在對(duì)方球臺(tái)上。此時(shí)，反彈球?yàn)橄滦颉６鄶?shù)情況下選手削過(guò)去的球也將是下旋球（也會(huì)出現(xiàn)側(cè)旋球的情況），球速慢，反彈點(diǎn)低，強(qiáng)旋轉(zhuǎn)，防守型很強(qiáng)，適合臺(tái)內(nèi)短球的處理和削球打法。3. 側(cè)旋球側(cè)旋球與上下旋球不同，它的旋轉(zhuǎn)平面是水平而不是豎直的。發(fā)球時(shí)選手將球拍斜向兩側(cè)擊球，使球得到一個(gè)向前的平動(dòng)速度和一個(gè)水平方向角速度，在重力，空氣向上

7、的推力和空氣阻力的作用下向前方運(yùn)動(dòng)。當(dāng)碰到自己一方的球臺(tái)和對(duì)方臺(tái)面時(shí)，在球與臺(tái)面接觸點(diǎn)，球受到臺(tái)面給的兩個(gè)靜摩擦力，一個(gè)是臺(tái)面給的相對(duì)于平動(dòng)速度反向的靜摩擦力，另一個(gè)靜摩擦力由于球旋轉(zhuǎn)的方向與球前進(jìn)方向垂直，所以該力與球平動(dòng)方向垂直，所以側(cè)旋球球速介于上旋球和下旋球之間。對(duì)于接球一方來(lái)說(shuō)，由于球速比較快，一般是在球的上升期觸球，如果將球拍豎直發(fā)力，反彈球獲得一個(gè)斜向上的平動(dòng)速度和水平方向角速度，這時(shí)球會(huì)斜向上運(yùn)動(dòng)，一般情況下會(huì)從兩側(cè)飛出球臺(tái)外，導(dǎo)致失分。所以選手在接側(cè)旋球時(shí)要將球拍側(cè)向下發(fā)力，讓反彈球獲得的平動(dòng)速度的豎直向上的分量減小，并且使兩側(cè)速度方向夾角變小，這樣可使球能打在對(duì)方球臺(tái)上。此

8、時(shí)，反彈球?yàn)閭?cè)旋球。一些情況下選手拉過(guò)去的球是側(cè)旋球，速度較快，落點(diǎn)刁鉆，適合進(jìn)攻性打法。所以根據(jù)球速接球的一方可以判斷是哪種類(lèi)型的旋轉(zhuǎn)，從而選擇接球和進(jìn)攻的方式，這是在乒乓球?qū)崙?zhàn)中是很重要的技能。三. 乒乓球沾水后對(duì)球的影響乒乓球比賽中選手是不允許把球沾水的，這對(duì)于接球的一方不利，那這到底是為什么呢？我們從接球時(shí)的分析說(shuō)起，先說(shuō)說(shuō)下旋球。球上沾上了水，由于水是流體具有黏滯性，在球與球拍接觸時(shí)，球的角速度減小，原來(lái)由于球上下方壓強(qiáng)差而產(chǎn)生的向上的推力減小，在重力的作用下，球以斜向下的速度急速下降，直接導(dǎo)致球無(wú)法越過(guò)球網(wǎng)，過(guò)來(lái)的球越轉(zhuǎn)，向下的趨勢(shì)越大，要向把球擊過(guò)球網(wǎng)必須使用很大的力，這造成接球方很大的劣勢(shì)。另一個(gè)可能的原因是沾水后使乒乓球的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，由于角動(dòng)量守恒，球的角速度減小，導(dǎo)致空氣施給的推力減少，就這樣產(chǎn)生了上述結(jié)果。對(duì)于上旋球和側(cè)旋球，沾水對(duì)球的影響較小些。原理同下旋球一樣，主要是讓球旋轉(zhuǎn)角速度減小，導(dǎo)致空氣給的推力減小。小小的乒乓球里蘊(yùn)