新材质乒乓球与球拍碰撞特性研究

高建光 李胜 林友豪 王广涛 胡涛 苑宸凯

中图分类号：G846   文献标识：A     文章编号：1009-9328（2021）02-077-03

摘  要  乒乓球材质主要是绿色环保的醋酸纤维。为研究新型材料对乒乓球碰撞特征的影响，本研究运用力学结合方式建立模型，考虑旋转效应对乒乓球碰撞影响因素，研究新型材料对乒乓球碰撞后的速度与接触能量损失。研究表明反射速度跟入射角成正比，球体直径与转速射速相同情况下，新材料乒乓球与旧材料相比，球速增加3%。碰撞过程中，球与球拍接触旋角增大，乒乓球体与对球拍接触影响比较小，乒乓球入射角大时会使能量损失增加，在同一直径击打条件下，会使乒乓球能量损失大于旧材料乒乓球。由此可见，新材质乒乓球对运动员的水平构成了一定影响。

关键词  乒乓球  新材质  碰撞  特性研究  现状分析

一、引言

乒乓球运动的发展历经了众多阶段，其技术也随之快速发展，与此同时乒乓球器材材质的改动更关系着乒乓球运动员的成绩，也促使着规则逐渐改动。乒乓球运动规则改变了大球小球等多项重大评分标准，每一项规则都影响了乒乓球技术和比赛的发展。即使这样，乒乓球运动依然吸引了全世界众多爱好者把时间投入其中。自伦敦奥运会后，乒乓球运动又出现了新规定，其中最重要的就是改革了旧版材质，旧材质乒乓球退出百年历史舞台。之所以要以新材质乒乓球替换旧材质，在于旧材质是有毒有害物质，经常接触会对人体造成伤害。因此，本次改革的初衷是为运动员的健康着想。但是，任何改革都会对运动员的技术产生很大的影响，比如打法技术、运动员的击球感受、球场上的比赛战术等。何况球体的材质及体系都发生了变化，那么，运动员必须为熟悉新材质而付出更多的汗水。

二、乒乓球运动革新

（一）乒乓球运动发展史

乒乓球运动在全世界已经有百年的历史。研究认为，乒乓球运动是由网球逐渐衍生而来。乒乓球运动主要取决于国外其发展历史，经历了欧洲乒乓球运动，从日本一直传到中国，中国重整旗鼓打响了世界，时至今日，中国乒乓球在世界可谓独孤求败。乒乓球运动最初进入我国是在20世纪初从日本传入的。1935年，我国成立了乒乓球协会，并组织了新中国成立前的第一届乒乓球国家赛。在1953年后，我国运动员开始参加国际赛事，向国外优秀运动员学习，不断丰富自己的技术，提高中国队的实力。1965年是乒乓球运动的高峰，无论直拍快攻还是防守型打法，都在一系列赛事中取得了很好的成绩。乒乓球中国队从1959年取得第一个世界冠军，后到2000年，共取得世界冠军一百三十将近一百四十多次。21世纪初，国际乒乓球联赛对赛程进行了技术改革，包括2000年的小球变大球与分值改革、无遮挡发球，无疑使乒乓球运动发展史产生很多变化，是对乒乓球的一次重大改革。

（二）乒乓球改革对运动员技术的影响

至今为止，乒乓球相关打法、器材，训练等方面的改革数不胜数。总之，乒乓球技术发展是一个不断创新的过程，涉及乒乓球运动的多个项目与技术创新，训练方式的创新，乒乓球運动项目十分复杂，在创新过程中要妥善处理好继承与项目特征，相互发展。首先有一次改动由小球改成大球，体积发生变化，导致乒乓球在击打过程中速度与旋转都大幅度降低。由于球速跟旋转受到了很大的限制，导致在比赛过程中击打会对给对方造成的压迫逐渐降低，因此回合数变多，这对运动员的体力是一个考验。在大球时代，乒乓球运动无疑对运动员的体能有了更高要求，为此，运动员加强了力量素质训练。第二次规则改动将原先的21分制改为了11分制，赛制的突然变更让比赛的偶然性大大增加。每局比赛中，运动员依次只有两个发球权，如此很难掌握对方的战术，为此就需要快速调整自己打球的状态，要求运动员必须将战术，心理素质相互结合。第三次改革是无遮挡发球，这一规则使得我国运动员的发球优势大大降低，运动员无法再靠发球抢攻和前三板的优势来决定比赛走势，因此被迫要对前三板后的相持技术进行更多训练。此外，禁胶令的出现也要求运动员跟教练在技术上必须有所突破。无机胶水的化学成分不同，用无胶水粘球拍，击出的乒乓球力量更小、旋转更弱。这就需要各国运动员及教练相互适应，找到合适于自己的战术和打法。而乒乓球球体材质的改变对运动员技术提出了更高的挑战，数据显示，虽然新材质球体的硬度、重量和弹跳数据与旧材质没有太大差异，但即便是一些小的差异，对运动员的手感和技术来说都能带来较大的影响。不仅如此，新材质球体采用上线接合工艺，而旧材质球体则采用的是下线接合工艺，工艺的不同导致新材质球的体积相对于旧材质来说稍微偏大。体积发生变化后，必定会对击球后的旋转及速度带来变化。

三、碰撞特性分析

（一）新材质乒乓球碰撞弹性分析

乒乓球在受到外力作用下会发生一定程度的形变。因为比赛中运动员的每一次击球和每一次乒乓球的起跳，其球体外形都是可以恢复的，所以乒乓球的形变多数属于弹性形变，但是如果外力超过乒乓球及弹性极限，就会出现不可复原的形变，这种形变称为塑性形变，导致乒乓球会出现凹点或者破坏。

（二）新材质乒乓球与球拍非弹性碰撞分析

当两个物体相互碰撞后，彼此分开产生机械能损失的碰撞叫作非完全弹性碰撞。实践证明，对于材料相同的物体碰撞后分开的相对速度与碰撞得到是相对速度成正比。比例系数又通常称作为恢复系数，这是由两个材料各自的弹性程度决定。对于一般非完全弹性碰撞来说，碰撞系数在1到0之间。恢复系数可以通过具体实验测得出来，具体为将一种材料制成小球，另一种材料制成大型平板，小球从固定高度自由落到平板上，测得小球的反弹高度，建立碰撞模型，进行数据计算。由动量守恒定律可以算出碰撞前后速度和碰撞前小球的速度，由此获得借助外力的速度和乒乓球的球拍系统发力情况下获得的速度。三者速度有一个倍数关系。由此可以发现，不同碰撞对击打乒乓球的影响是不同的。

（三）人体影响新材质乒乓球与球拍碰撞特征

在乒乓球击球时，运动员是用乒乓球拍与球进行碰撞现象处理。碰撞的一方是球，另一方面，球拍在两个相对运动空间中发生碰撞的现象，碰撞时间一毫秒，碰撞力非常大，重力等忽略不计，可以采用动量守恒定律进行前后速度分析。可以得出，对出球而言，碰撞前的速度影响大于碰撞后球速，出球速度也随球拍的质量增大而增大。人体不是相对刚体，每个关节都有相对的缓冲组织，骨、骨骼、筋还会有一定程度的影响，所以骨关节传力都有滞后的现象，全身发力一般需要300毫秒左右。实际上经过各个传递环节后，与较远的肢体对球拍基本不可能在一秒内发生同步，一秒内离得远的肢体无法与球拍碰。离得远的肢体运动状态与球和球拍碰撞没有任何关系。另外，在击球瞬间，人体往往处于旋转状态，所以说人体的重心很有可能没有变化，甚至相反方向移动。这种情况下，躯干对球的运动比较小。从人体力学击球角度来看，人体依次加速使动量传递给手，在球与球拍碰撞瞬间，人身的所有力量传递给球拍，自身速度已经可以忽略不算。因此可说，除手臂、球拍以外，人体的速度对击球速度可以看作没有关系。所以在球与球拍进行碰撞质量计算时，可以得出统一结论，球拍碰撞质量不受人体影响。

（四）乒乓球与球拍碰撞过程分析

乒乓球在球与球拍开始接触时，胶皮会受到球的挤压产生形变，碰撞力传递到海绵层也会发生类似形变，随着胶皮与海绵层形变增加，球的阻力也会逐渐增加，使球速度变小。由于摩擦受到的摩擦力逐渐增大，导致球进行了旋转变化，改变运动速度，当球与球拍速度达到零时，胶皮与海绵情形便恢复，球逐渐脱离，球拍与球受到的球拍力逐渐变小，导致球以新的速度，新的方向旋转着球拍分离，此时球具有旋转跟平滑两种运动形式。因为球拍的材质和底板胶皮厚度都是固定的，乒乓球以不同角度撞到海绵球拍时，会有不同的撞击速率影响，当角度为30°时，海绵厚度逐渐变小。通过实验可以得知，乒乓球反射随海绵厚度增加快速减小，随后又增加。随入射角增加而减小，当入射角为90°接触碰撞后，球的速度随海绵厚度先增大后减小，在厚度为0.3毫米时达到最小值，而后随海绵厚度增大而增大，当入射角45°时，球随海绵厚度变化，与90°角类似趋势，但是速度突变相对延后，整体速度高于后者。由此可见，乒乓球碰撞运动后随海绵运动变化规律为海绵越厚，反弹力度越大。实际上球的撞击力无法穿透过厚的海绵，导致板底反弹无法充分发挥。但海绵如果太薄的话，会适得其反，如球没有最大程度接触球拍时，会导致底部反弹力不够，无法将球打出，既得不到停留时间，又缺乏飞行后的持续力度。同理，固定球拍的材质跟底都不变时，考虑乒乓球以不同角度射击同一厚度海绵，得知当海绵厚度相同时，由动能最大的转化为弹性势能，当入射角一定时，海绵厚度增大，能提供更多的弹性势能，故压缩空间随海绵厚度增大而出现增大趋势。

（五）不同材质球拍与乒乓球碰撞分析

不同材质的乒乓球拍与乒乓球碰撞过程中，因为乒乓球拍板底材质不同，接触力不同，导致反弹速度也不尽相同。乒乓球拍底板材料一般用加碳纤维制成，当乒乓球以10的入射速度与球拍垂直碰撞时，可以根据实验得出，碰撞开始前没有接触力，但是碰撞后旋转时间逐渐增加，接触力也快速增加，达到最大峰值后接触力消失。可以看出，新材质板与球碰撞时接触率大，约高出20%，加入碳纤维后，最大接触力保持不变。而且比纯木底板加入碳纤维后的极值点小，究其原因桧木弹性量小于旧材质，因此碰撞后速度比较小，加入碳纤维后比例变化不大，因此新材质底板速度速度虽增加，但增幅不大。直击打各种底板与球碰撞的接触时间，可以看出碰撞时间基本无差距，但是在底板中加入碳纤维后时间会减小，足足降低20%，碳纤维硬度比较大，混入底板后，乒乓球拍的硬度會增加，导致击球速度缩小，乒乓球与球拍上的接触时间，碰撞时间由此降低。研究不同材料底板对球拍性能随入射速度变化而变化，会采用旧材料跟新材料加碳纤维进行数据对比，入射速度逐渐增大。由数据可以看出，反弹速度随入射速度增大而增大，当相同速度射入时，加碳纤维的底板反弹速度最大，桧木最小。相对于桧木加碳纤维可将反弹速度提高40%，在入射速度比较的13种底板中，其反弹速度也相差无几，随入射增加使旧材料的反弹速度增加缓慢，但是新材料反弹速度增加很快，因为入射速度较低时碰撞形变小。能量转化损失比较的三种底板，反映趋势虽表现一致。只求速度达到一定值，使新材质加碳纤维材质球拍可以更好减小损失能量，转化率高，损失较小。旧材料底板形状过大，能量损失较多，可以看出新材料对高速球有很好的适应性。三种球拍碰撞时间均与入射速度增加而减小，相比相同速度时旧材料接触时间长，新材料接触时间短，因为旧材料模量小，碰撞型面大，恢复缓慢。而新材料，碳纤维加强，底板碰撞形状较小，相同入射程度下出球速度快，接触时间短。

四、结语

从数据可以发现，新材料乒乓球与传统材料乒乓球相比，在制作过程中工艺和特征发生了变化。新材料的硬度跟材料性能好，根据理论跟实际调查可以看出，新材料使用会影响运动员的打法跟战略，因为球体硬度增加，对运动员体能要求也提高，但旋转性能相对较低，经过训练可以使新动员容易掌握新球运动形态，比赛回合多会增强比赛的观赏能力。为此，各方还需要对新材料给予研究，以便对新材料硬度、抗击打程度作出新的改进。在不同的板材料制作过程中，球拍碰撞会导致接触力整体变化，趋势虽然相同，先重后经，但是新材料接触点之后不影响数据，底板材料对球的反弹速度影响比较明显，材料弹性越大，反弹速度越大，新材料碳纤维能提高能量转化率，提高反弹速度。

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