朱婷手里的球都经历了些什么?
发布时间:2019-09-29
出品:科普中国
制作:关西科健 可可
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  928日,中国女排在日本大阪以3:0的比分战胜了塞尔维亚队,提前一轮斩获2019年女排世界杯冠这场胜利是中国在本届杯中取得的连续第十场胜利,如果能在下战胜最后一个手阿根廷,中国将以全胜战绩登上冠军领奖台。 

  由于很好地合了力量,配合,技巧等因素,女排比向来不乏观赏性。中国女排屡次下重量世界冠自然是鼓舞人心。那么,在排球比中,到底是什么因素决定了排球的运动轨迹,背后都有哪些物理律? 

中国女排登顶瞬间,来源:新浪体育 

https://sports.sina.com.cn/zt_d/worldcup2019/ 

    

  理想情形下的排球 

  排球比中,无是凶狠的扣杀还逸的球,都离不开施加在排球上的力。然在我的生活中“力”是一种常的存在,然而仔想想其“力”的概念非常抽象。抽象的原因就在于,我们谁也没有见过“力”种事物本身,而只能通力施加在物体上后生的效果来接感受力的存在。 

    

中国女排出征本届杯赛的16人名单,来源:维基百科 

    

  力作用在物体上之后,主要会生以下三种效果,物体形,予物体支撑,改物体的运(方向和速度)。如果不向物体施加力的作用,静止的物体将会一直静止,而运物体将持匀速直线然,于排球来,力的效果主要是第一种和第三种。 

  此外,大体上来,依据作用形式,力大致可以分两种,分是接触作用力和非接触作用力。以排球例,球瞬间选手将向球施加接触作用力,而球程中,将只受到重力的非接触作用。在里,我忽略了空气阻力排球行的影响,实际上,排球行路线化正是由空气阻力造成,我后面再详细 

    

图片来源:Freepik.com 

  不考空气阻力,排球,球在空中水平方向上将呈匀速直线;而直方向上球将做自由落体运,上升时缓慢减速,下降加速,迹呈理想的抛物线 

    

  某位手先后在同一位置出了两种球,两球的行最高点都3米,一种落在前,另一种落在底线附近。那么,哪种球将率先落地呢? 

  答案是同落地!空气阻力不存在的前提下,排球在直方向上的运动时间仅由其在竖直方向上所达到的点高度有关,与水平初速无关,与运物体的量同无关。与之似,达到相同跳高度的两位排球手,不体重如何,最都将得相同的滞空时间 

  再来个更加实际的例子,网前球和后球哪个相更加以防守呢?一般来,网前球由于要绕过网,点需要更高,才能尽可能保球不落网。而后则经常是着网行,点也低。也就是高的网前球会在空中行更时间,加上末端水平速度更慢,相容易防守。 

    

  情况下排球的行路线受空气影响很大 

  情况下,排球在程中不受到重力的作用,要受空气阻力和格努斯效的影响。 

    

  空气阻力与物体的运方向相反,并且在大小上与物体速度的平方成比例。而格努斯效常常生于在流体中高速旋的物体上,它于排球运行路线的影响同不可忽略。那么,格努斯效是一种怎象呢? 

  如下所示,我某排球从左向右行,正常状下,球的部位将是球的上部(如果球部位是下部,球将会向高,失去威),因此球的旋方向将是如所示的顺时针 

    

马格努斯效应示意图,来源:作者自制 

    

  球在程中,上方下方都将受到空气阻力,此空气好比像,吹拂到球体表面。然而,由于球同时还在旋,上方和下方与空气()将呈相反的作用状。在球的上部,空气方向和球旋方向相反,空气速度将被球旋转带来的逆向摩擦减。而球的下部,空气方向和旋方向相同,在球体表面摩擦力的作用下,空气被加速。 

  根据伯努利原理,流体的压强将受到流体速度的影响,具体流体速度越大压强越小(伯努利原理我不在此做详细)。于是,球体上方的低速气体将比下方的高速气体压强更大,球会受到一个外的下力。我在排球比常感到高水平手的球在网后下很快,其中格努斯效会起到不小的作用。 

  那么,能不能说马格努斯效应总排球加速下呢?答案是否定的,我来看下面这张图。排球是从左向右运,空气形成的从右向左拂排球表面。需要注意的是,排球此刻的旋方向是逆时针种情形大部分是由于球受到打的部位是下半部而造成。此,排球将受到一个外上升力。高水平的排球手有会打出所的“球”,种球在程中可能比期晚降落,同样给对手接球造成困 

    

马格努斯效应示意图,来源:作者自制 

    

  除了排球,空气是如何影响其它球动轨迹的? 

  在真情形下,所有球的运动轨迹都将受到空气影响,但影响程度与球的种关系极大。普遍律来球体越小,速度越快,旋,其迹就越容易受到空气的影响,从而更地偏离抛物线轨道。 

  乒乓球、棒球、高夫球、网球等“小球”运中,常会出现诡异的弧线迹其就是各种作用之下的合效果。以棒球例,由于球瞬间对球的作用非常烈,球往往有高速旋,高水平的手会故意让击打点向球下部稍稍偏移,这样不仅可以让球获得最大的水平初速,随之而来的格努斯效还会球明,从而增大安打几率。 

    

棒球的飞行轨迹受空气影响极大 图片来源:Freepik.com 

  是球中,运动轨迹最接近理想抛物线的,由于速度慢旋低,空气其影响很小。介于其中的排球和足球,运行速度比球快,旋烈,自然会更多受到空气影响。而正是空气来的种种复,才球”,“梯球”,“香蕉球”一满观赏性的技巧成为现实 

  下表列出了来自日本某大学物理趣小果。其中的水平方向和直方向加速度球出手瞬。由此我可以看出,球水平加速度非常小,而直加速度与重力加速度又非常接近,球运行受到空气影响确很小。排球水平方向加速度与篮球比有明显增大,直方向最初加速度明大于重力加速度,下效果明,与格努斯效关系密切。作为对比,网球和棒球投球的水平和直加速度都非常大,与大球运形成明 

各种球类运动的加速度对比 图片来源:作者自制 

    

  最后,再一次恭喜女排姑娘荣登世界之。下次观赛时不要忘今天的科普内容,留心之皆科学。 

    

  参考文献: 

  1. 马格努斯效应的力学模型 

  2. 変化球はなぜ曲がるのか?マグヌス効果を直感的に理解する 

  3. マグヌス効果でボールの挙動はどう変化するのか 

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