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女排提前夺冠!朱婷手里的球都经历了些什么?

2019-12-01 15:50:05 
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9月28日,中国女排在日本大阪以3比0击败塞尔维亚,提前一轮赢得2019年女排世界杯冠军。这次胜利是中国在本次锦标赛中的第十次连续胜利。如果中国能在下一场比赛中赢得最后一个对手阿根廷,中国将获得冠军领奖台的全部胜利。

由于力量、协调、技术等因素的良好结合,女排比赛一直是令人愉快的。中国女排在世界重量级锦标赛中的多次胜利自然令人鼓舞。那么,在排球比赛中,什么因素决定了排球的运动轨迹,以及它背后的物理规律。

理想条件下排球飞行规则

在排球比赛中,无论是凶狠的扣球还是优美的发球,都离不开施加在排球上的力量。虽然“力”在我们的生活中是一种常见的存在,但仔细想想,“力”的概念是非常抽象的。抽象的原因在于,我们中没有人见过“力”本身这样的东西,我们只能通过施加在物体上的力的作用间接地感受到力的存在。

16名中国女排队员的名单来自维基百科

力作用在物体上后,主要产生以下三种效果:使物体变形,支撑物体,改变物体的运动状态(方向和速度)。如果没有力施加到物体上,静止物体将保持静止,运动物体将保持均匀的线性运动。显然,对于排球来说,力量效应主要是第一和第三。

此外,一般来说,力可以根据作用方式大致分为两种类型,即接触力和非接触力。例如,在排球比赛中,运动员在击球时会对球施加接触力,而球在飞行过程中只会受到重力的非接触作用。在这里,我们忽略了空气阻力对排球飞行的影响。事实上,排球飞行路线的改变是由空气阻力引起的。我们稍后会详细解释。

资料来源:freepik.com

假设不考虑空气阻力,当排球运动员发球时,球将在空气的水平方向上以均匀的直线运动。在垂直方向,球会自由下落,上升时缓慢减速,下降时逐渐加速,整个轨迹呈现理想的抛物线形状。

让我们假设一个球员在同一个位置先后送出了两种球。两个球的最高点都是3米,一个落在前场,另一个落在底线附近。那么,哪个球会先落地?

答案是同时着陆!假设空气阻力不存在,排球在垂直方向上的运动时间只与垂直方向上达到的顶点高度有关,与水平初始速度和运动物体的质量无关。同样,两个排球运动员达到相同的弹跳高度,不管他们的体重如何,最终都会得到相同的休息时间。

让我们举一个更实际的例子。在网前和网后哪个更难防守?一般来说,球在网前的顶部需要更高,以避免被抓住,因为它必须绕过网。另一方面,后场球经常飞向球网,并有一个较低的顶点。换句话说,顶点较高的网前球会在空中飞行更长时间,而终点的水平速度较慢,所以防守相对容易。

在现实情况下,排球的飞行路线受空气的影响很大。

事实上,排球不仅受重力的影响,还受空气阻力和马格努斯效应的影响。

空气阻力与物体的运动方向相反,大小与物体速度的平方成正比。然而,马格努斯效应经常发生在流体中高速旋转的物体上,其对排球跑动路线的影响不容忽视。马格努斯效应是什么?

如下图所示,我们假设排球从左向右飞行。正常情况下,球员的击球位置将是球的上部(如果击球位置是下部,球会飞得很高,失去威胁),所以球的旋转方向将是如图所示的顺时针方向。

马格纳斯效应图,来源:作者的自我控制

在球飞行期间,上部和下部将受到空气阻力,此时空气将像风一样吹向球的表面。然而,由于球仍在同时旋转,空气(风)将在上下相反的方向上作用。在球的上部,空气方向与球的旋转方向相反,并且空气速度将由于球旋转引起的反向摩擦而减慢。在球的下部,空气方向与旋转方向相同。在球表面摩擦力的作用下,空气加速。

根据伯努利原理,流体的压力将受到流体速度的影响。具体规则是流体速度越高,压力越低(伯努利原理在此不再详细解释)。因此,球体上方的低速气体的压力将高于下方的高速气体的压力,球体将受到额外的向下压力。在排球比赛中,我们经常感觉到高水平运动员的发球过网后会迅速下降,其中马格努斯效应将发挥很大作用。

那么,我们能说马格纳斯效应总是会加速排球运动的衰落吗?答案是否定的,让我们看看下面的图片。排球仍然从左向右移动,由空气形成的风从右向左吹过排球表面。应该注意的是,此时排球的旋转方向是逆时针方向,这主要是由于球的下部被击中造成的。这时,排球将获得额外的升力。高水平排球运动员有时会玩所谓的“浮球”(floating ball),这种球在飞行过程中可能会比预期的降落时间晚,也会给对手接球造成麻烦。

马格纳斯效应图,来源:作者的自我控制

除了排球,空气如何影响其他球类运动的轨迹?

在真实情况下,所有球类运动的轨迹都会受到空气的影响,但影响程度与球的类型有很大关系。一般来说,球体越小,速度越快,旋转越强,其轨迹越容易受到空气的影响,从而进一步偏离抛物线轨迹。

在乒乓球、棒球、高尔夫、网球和其他“小球”运动中,经常会出现奇怪的弧线,这实际上是各种动作的综合效果。以棒球为例,由于球员的挥杆对球起着非常强的作用,而且球经常以高速旋转,高水平球员会有意将击球点稍微移向球的下部,这样不仅让球获得最大水平初始速度,而且让球明显上浮,随后产生马格努斯效应,从而增加了击球的概率。

棒球的飞行路线受空气影响很大。照片来源:freepik.com

另一方面,篮球是一种球类运动,其轨迹最接近理想的抛物线形状。由于速度慢、旋转慢,空气对其影响很小。介于两者之间的排球和足球跑得比篮球快,旋转也比篮球强。自然,它们会受到更多空气的影响。然而,正是空气带来的各种复杂效果使“浮球”、“电梯球”和“香蕉球”等观赏技巧成为现实。

下表列出了日本一所大学物理兴趣小组的测量结果。水平和垂直加速度是球释放的时刻。由此可见,篮球水平加速度非常小,而垂直加速度非常接近重力加速度,证明篮球运动受空气影响很小。排球的水平加速度明显高于篮球。垂直方向的初始加速度明显高于重力加速度。抑郁效应明显,与马格努斯效应密切相关。相比之下,网球和棒球投掷时的水平和垂直加速度非常大,这与大球明显不同。

资料来源:中国科普

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