新材質乒乓球與球拍碰撞特性研究

高建光 李勝 林友豪 王廣濤 胡濤 苑宸凱

中圖分類號：G846? ?文獻標識：A? ? ?文章編號：1009-9328（2021）02-077-03

摘? 要? 乒乓球材質主要是綠色環保的醋酸纖維。為研究新型材料對乒乓球碰撞特征的影響，本研究運用力學結合方式建立模型，考慮旋轉效應對乒乓球碰撞影響因素，研究新型材料對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%。碰撞過程中，球與球拍接觸旋角增大，乒乓球體與對球拍接觸影響比較小，乒乓球入射角大時會使能量損失增加，在同一直徑擊打條件下，會使乒乓球能量損失大于舊材料乒乓球。由此可見，新材質乒乓球對運動員的水平構成了一定影響。

關鍵詞? 乒乓球? 新材質? 碰撞? 特性研究? 現狀分析

一、引言

乒乓球運動的發展歷經了眾多階段，其技術也隨之快速發展，與此同時乒乓球器材材質的改動更關系著乒乓球運動員的成績，也促使著規則逐漸改動。乒乓球運動規則改變了大球小球等多項重大評分標準，每一項規則都影響了乒乓球技術和比賽的發展。即使這樣，乒乓球運動依然吸引了全世界眾多愛好者把時間投入其中。自倫敦奧運會后，乒乓球運動又出現了新規定，其中最重要的就是改革了舊版材質，舊材質乒乓球退出百年歷史舞臺。之所以要以新材質乒乓球替換舊材質，在于舊材質是有毒有害物質，經常接觸會對人體造成傷害。因此，本次改革的初衷是為運動員的健康著想。但是，任何改革都會對運動員的技術產生很大的影響，比如打法技術、運動員的擊球感受、球場上的比賽戰術等。何況球體的材質及體系都發生了變化，那么，運動員必須為熟悉新材質而付出更多的汗水。

二、乒乓球運動革新

（一）乒乓球運動發展史

乒乓球運動在全世界已經有百年的歷史。研究認為，乒乓球運動是由網球逐漸衍生而來。乒乓球運動主要取決于國外其發展歷史，經歷了歐洲乒乓球運動，從日本一直傳到中國，中國重整旗鼓打響了世界，時至今日，中國乒乓球在世界可謂獨孤求敗。乒乓球運動最初進入我國是在20世紀初從日本傳入的。1935年，我國成立了乒乓球協會，并組織了新中國成立前的第一屆乒乓球國家賽。在1953年后，我國運動員開始參加國際賽事，向國外優秀運動員學習，不斷豐富自己的技術，提高中國隊的實力。1965年是乒乓球運動的高峰，無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。乒乓球中國隊從1959年取得第一個世界冠軍，后到2000年，共取得世界冠軍一百三十將近一百四十多次。21世紀初，國際乒乓球聯賽對賽程進行了技術改革，包括2000年的小球變大球與分值改革、無遮擋發球，無疑使乒乓球運動發展史產生很多變化，是對乒乓球的一次重大改革。

（二）乒乓球改革對運動員技術的影響

至今為止，乒乓球相關打法、器材，訓練等方面的改革數不勝數。總之，乒乓球技術發展是一個不斷創新的過程，涉及乒乓球運動的多個項目與技術創新，訓練方式的創新，乒乓球運動項目十分復雜，在創新過程中要妥善處理好繼承與項目特征，相互發展。首先有一次改動由小球改成大球，體積發生變化，導致乒乓球在擊打過程中速度與旋轉都大幅度降低。由于球速跟旋轉受到了很大的限制，導致在比賽過程中擊打會對給對方造成的壓迫逐漸降低，因此回合數變多，這對運動員的體力是一個考驗。在大球時代，乒乓球運動無疑對運動員的體能有了更高要求，為此，運動員加強了力量素質訓練。第二次規則改動將原先的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，運動員依次只有兩個發球權，如此很難掌握對方的戰術，為此就需要快速調整自己打球的狀態，要求運動員必須將戰術，心理素質相互結合。第三次改革是無遮擋發球，這一規則使得我國運動員的發球優勢大大降低，運動員無法再靠發球搶攻和前三板的優勢來決定比賽走勢，因此被迫要對前三板后的相持技術進行更多訓練。此外，禁膠令的出現也要求運動員跟教練在技術上必須有所突破。無機膠水的化學成分不同，用無膠水粘球拍，擊出的乒乓球力量更小、旋轉更弱。這就需要各國運動員及教練相互適應，找到合適于自己的戰術和打法。而乒乓球球體材質的改變對運動員技術提出了更高的挑戰，數據顯示，雖然新材質球體的硬度、重量和彈跳數據與舊材質沒有太大差異，但即便是一些小的差異，對運動員的手感和技術來說都能帶來較大的影響。不僅如此，新材質球體采用上線接合工藝，而舊材質球體則采用的是下線接合工藝，工藝的不同導致新材質球的體積相對于舊材質來說稍微偏大。體積發生變化后，必定會對擊球后的旋轉及速度帶來變化。

三、碰撞特性分析

（一）新材質乒乓球碰撞彈性分析

乒乓球在受到外力作用下會發生一定程度的形變。因為比賽中運動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的，所以乒乓球的形變多數屬于彈性形變，但是如果外力超過乒乓球及彈性極限，就會出現不可復原的形變，這種形變稱為塑性形變，導致乒乓球會出現凹點或者破壞。

（二）新材質乒乓球與球拍非彈性碰撞分析

當兩個物體相互碰撞后，彼此分開產生機械能損失的碰撞叫作非完全彈性碰撞。實踐證明，對于材料相同的物體碰撞后分開的相對速度與碰撞得到是相對速度成正比。比例系數又通常稱作為恢復系數，這是由兩個材料各自的彈性程度決定。對于一般非完全彈性碰撞來說，碰撞系數在1到0之間?；謴拖禂悼梢酝ㄟ^具體實驗測得出來，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，測得小球的反彈高度，建立碰撞模型，進行數據計算。由動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發力情況下獲得的速度。三者速度有一個倍數關系。由此可以發現，不同碰撞對擊打乒乓球的影響是不同的。

（三）人體影響新材質乒乓球與球拍碰撞特征

在乒乓球擊球時，運動員是用乒乓球拍與球進行碰撞現象處理。碰撞的一方是球，另一方面，球拍在兩個相對運動空間中發生碰撞的現象，碰撞時間一毫秒，碰撞力非常大，重力等忽略不計，可以采用動量守恒定律進行前后速度分析?？梢缘贸觯瑢Τ銮蚨?，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量增大而增大。人體不是相對剛體，每個關節都有相對的緩沖組織，骨、骨骼、筋還會有一定程度的影響，所以骨關節傳力都有滯后的現象，全身發力一般需要300毫秒左右。實際上經過各個傳遞環節后，與較遠的肢體對球拍基本不可能在一秒內發生同步，一秒內離得遠的肢體無法與球拍碰。離得遠的肢體運動狀態與球和球拍碰撞沒有任何關系。另外，在擊球瞬間，人體往往處于旋轉狀態，所以說人體的重心很有可能沒有變化，甚至相反方向移動。這種情況下，軀干對球的運動比較小。從人體力學擊球角度來看，人體依次加速使動量傳遞給手，在球與球拍碰撞瞬間，人身的所有力量傳遞給球拍，自身速度已經可以忽略不算。因此可說，除手臂、球拍以外，人體的速度對擊球速度可以看作沒有關系。所以在球與球拍進行碰撞質量計算時，可以得出統一結論，球拍碰撞質量不受人體影響。

（四）乒乓球與球拍碰撞過程分析

乒乓球在球與球拍開始接觸時，膠皮會受到球的擠壓產生形變，碰撞力傳遞到海綿層也會發生類似形變，隨著膠皮與海綿層形變增加，球的阻力也會逐漸增加，使球速度變小。由于摩擦受到的摩擦力逐漸增大，導致球進行了旋轉變化，改變運動速度，當球與球拍速度達到零時，膠皮與海綿情形便恢復，球逐漸脫離，球拍與球受到的球拍力逐漸變小，導致球以新的速度，新的方向旋轉著球拍分離，此時球具有旋轉跟平滑兩種運動形式。因為球拍的材質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，會有不同的撞擊速率影響，當角度為30°時，海綿厚度逐漸變小。通過實驗可以得知，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毫米時達到最小值，而后隨海綿厚度增大而增大，當入射角45°時，球隨海綿厚度變化，與90°角類似趨勢，但是速度突變相對延后，整體速度高于后者。由此可見，乒乓球碰撞運動后隨海綿運動變化規律為海綿越厚，反彈力度越大。實際上球的撞擊力無法穿透過厚的海綿，導致板底反彈無法充分發揮。但海綿如果太薄的話，會適得其反，如球沒有最大程度接觸球拍時，會導致底部反彈力不夠，無法將球打出，既得不到停留時間，又缺乏飛行后的持續力度。同理，固定球拍的材質跟底都不變時，考慮乒乓球以不同角度射擊同一厚度海綿，得知當海綿厚度相同時，由動能最大的轉化為彈性勢能，當入射角一定時，海綿厚度增大，能提供更多的彈性勢能，故壓縮空間隨海綿厚度增大而出現增大趨勢。

（五）不同材質球拍與乒乓球碰撞分析

不同材質的乒乓球拍與乒乓球碰撞過程中，因為乒乓球拍板底材質不同，接觸力不同，導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，當乒乓球以10的入射速度與球拍垂直碰撞時，可以根據實驗得出，碰撞開始前沒有接觸力，但是碰撞后旋轉時間逐漸增加，接觸力也快速增加，達到最大峰值后接觸力消失?？梢钥闯觯虏馁|板與球碰撞時接觸率大，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小，究其原因檜木彈性量小于舊材質，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間，可以看出碰撞時間基本無差距，但是在底板中加入碳纖維后時間會減小，足足降低20%，碳纖維硬度比較大，混入底板后，乒乓球拍的硬度會增加，導致擊球速度縮小，乒乓球與球拍上的接觸時間，碰撞時間由此降低。研究不同材料底板對球拍性能隨入射速度變化而變化，會采用舊材料跟新材料加碳纖維進行數據對比，入射速度逐漸增大。由數據可以看出，反彈速度隨入射速度增大而增大，當相同速度射入時，加碳纖維的底板反彈速度最大，檜木最小。相對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，因為入射速度較低時碰撞形變小。能量轉化損失比較的三種底板，反映趨勢雖表現一致。只求速度達到一定值，使新材質加碳纖維材質球拍可以更好減小損失能量，轉化率高，損失較小。舊材料底板形狀過大，能量損失較多，可以看出新材料對高速球有很好的適應性。三種球拍碰撞時間均與入射速度增加而減小，相比相同速度時舊材料接觸時間長，新材料接觸時間短，因為舊材料模量小，碰撞型面大，恢復緩慢。而新材料，碳纖維加強，底板碰撞形狀較小，相同入射程度下出球速度快，接觸時間短。

四、結語

從數據可以發現，新材料乒乓球與傳統材料乒乓球相比，在制作過程中工藝和特征發生了變化。新材料的硬度跟材料性能好，根據理論跟實際調查可以看出，新材料使用會影響運動員的打法跟戰略，因為球體硬度增加，對運動員體能要求也提高，但旋轉性能相對較低，經過訓練可以使新動員容易掌握新球運動形態，比賽回合多會增強比賽的觀賞能力。為此，各方還需要對新材料給予研究，以便對新材料硬度、抗擊打程度作出新的改進。在不同的板材料制作過程中，球拍碰撞會導致接觸力整體變化，趨勢雖然相同，先重后經，但是新材料接觸點之后不影響數據，底板材料對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化率，提高反彈速度。

參考文獻：

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

[2]楊泓睿.球拍擊打乒乓球時的乒乓球受力分析[J].中學生數理化（學習研究），2017（10）：72-73.

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

[4]謝聰鋒，李春.乒乓球拍海綿特性碰撞動力學分析[J].中國體育科技，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比[A].中國體育科學學會（China Sport Science Society）.2015第十屆全國體育科學大會論文摘要匯編（二）[C].中國體育科學學會（China Sport Science Society）：中國體育科學學會，2015.

[6]周光明.計算機圖形/圖像處理技術在乒乓球器材設計與檢測中的應用研究[D].北京：北方工業大學，2010.

[7]武秀根，鄭百林，賀鵬飛.乒乓球拍微結構對乒乓球與球拍碰撞過程的研究[J].體育科研，2006（02）：59-61.

海口經濟學院