乒乓球运动与力学原理

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1、乒乓球运动与力学原理乒乓球运动是学生喜爱的一种体育活动，其中包含有许多力学知识，用力学知识来 指导乒乓球运 动，学生对物理知识会有更深的理解，对乒乓球运动会更加热爱。在乒乓 球运动中主要有以下几方面与 力学知识有关 。1 力矩与球的旋转在乒乓球运动中，旋转球是克敌致胜的法宝，那末如何使球能在前进中旋转呢如图I所示：给物体施加一个过质心“o点。圏 1 图 2的推力，该物体就只能沿力的方向平动如图 2 所示：给物体施加一个偏离质心“o ”点的作用力，物体就可在 F 的作用下既平动又产生旋转。其转动效果由 F 对 o 点产生的力矩的大小决定由以上分析可知，要使乒乓球旋转起来，则要求给球施加一个不通过

2、其球心的力的 作用。2 摩擦力与球的转动从前面的分析可知，使球转动的关键在于作用在球上的力不通过球心，而这个力从何而来呢？这个力来源于球拍对球的摩擦力。如图3 一 5 所示，在拍击球的同时，使拍对球有相对运动就能产生摩擦力 。如图3,拍击球的瞬间向上拉动球拍，则球受F弹和 摩擦力f。两个力的作用，F弹过球心不产生力矩，球在F弹力作用下向前飞行的同时，f与球相切，产生使球逆时针旋转的效果，这 即是乒乓球运动中的上旋球。同理，只要在拍击球瞬间向不同方向拉动球拍，就会使球产生不同方向且与球相切 的摩擦力（如图 4、5）。bl图舌实际上在乒乓球运动中的：切、削、搓、拉、带、提等技术动作都是指拍与球接触

3、瞬间使拍与球产生侧向相对运动，从而使球受侧向摩擦力作用，而产生旋转3伯努利原理与弧线球在乒乓球飞行轨迹中，会出现许多轨迹不在同一竖直平面内的弧线球，类似足球中的香蕉球。这些 球为何会出现不同的各种弧线，主要原因是空气在作怪。要解决这个问题就 必须了解伯努利原理。请看 图6。在两条自由下垂的白纸条之间吹气，发现两纸条会相互吸引，根据伯努利原理可知，流体流速大处 压强小，而流速小处压强大，这样两纸片就受到侧向压力F 1和F2的作用而吸引。ra e在乒乓球前进过程中，由于球的旋转也会产生类似情况，如图7所示，对下旋球来研究，球上方空气相对于球的流速小，而下方空气相对于球的流速大，这样就产生对球向下

4、的侧向压力。使球的飞行轨迹变低，而上旋球则刚好相反。对侧旋球会出现侧向压力，这种侧向压力的作用使球 的飞行方向侧转，类似于足球的香蕉球。（如图8）轨迹是不转球的抛物线型轨迹，而轨迹是强侧 旋球的S型轨迹线。4、动量定理与接发球乒乓球运动中，对付高速、强旋转球是非常困难的，如果对动量定理有较深刻的理解,加上平时的 刻苦训练，对付起来也会容易一些 。动量定理告诉我们，冲量等于物体动量的改变，可用以下公式说明：Ft = （mv） 当接高速强旋转球时，要对球进行减力，必须延长球与拍间的作用时间，而延长作用时间的方法，可以 从选择球拍上着手，球拍选择软质的球拍，可延长作用时间，从而减小作用力F。而在球拍

5、选好的情况下要减力，则要求运动员握拍要松持，这样也能对来球起到缓冲作用，从而减 小球与拍间的作用，而不致使回球出界。5、速度、加速度与攻防乒乓球运动中，运动员在进攻时，要收到较好的进攻效果就必须使球有高速的运动和较强的旋转。如何使球产生更大的速度呢？主要是增大拍对球的打击力。从而使球产生较大的加速度，在瞬间 使球产生一个较大的速度。例如，设乒乓球质量为m拍对球的打击力为F,则在这种打击力作用下产生的加速度为a （即a =F/m），如果作用时间为t,则有球速，v二at=Ft/m）可见球速的大小主要取决于拍对球的作用力。而在防守时，则必须首先判断来球的速度、旋转和落点等，作好应对准备以争取反应时间

6、，提高防 守能力。6、物理知识与球拍的选择选择一适合自己的球拍能更快的提高运动水平。 在运动中不同的人对球有不同的打法和不同的理解,技术动作也各不相同。对快攻型选手,要求争取时间使打出的球速度快，具有较大的威胁，这样就要求选择能产生强弹力的较硬的球拍。对削球型选手和以弧线球取胜的选手，主要是使 球在运行过程中产生高速自转来增强攻击能力，这时选择的球拍要有较大的动摩擦因数，且拍质较软的球拍，让球可 在拍面上产生较长时间接触，使摩擦力对球的作用时间能更长，从而产生更强的旋转。而对于初学者来说，选择的球拍要求质地松软，且拍面较光滑，这时就不会因为技术动作的不熟练和经验不足导致接球失误。当然要选择好球

7、拍还要对不同球拍的性能以及能发挥的作用有一个清楚的认识。拔河比赛只是比力气大小吗？拔河比赛比的是什么？很多人会说：当然是比哪一队的力气大喽！实际上，这个问题并不那么简单。 根据牛顿第三定律（即当物体甲给物体乙一个作用力时，物体乙必然同时给物体甲一个反作用力，作用力与反作用力大小相等，方向相反，且在同一直线上），对于拔河的两个 队，甲对乙施加了多大拉力，乙对甲也同时产生一样大小的拉力。可见，双方之间的拉力并不是决定胜 负的因素。对拔河的两队进行受力分析就可以知道，只要所受的拉力小于与地面的最大静摩擦力，就不会被拉动。因此，增大与地面的摩擦力就成了胜负的关键。首先,，能够增大摩擦系数，使摩擦力增大

8、；还有就是队员的体重越重，对地面的压力越大，摩擦力也会增大。大人和小孩拔河时，大人很容易获胜，关键就是由于大人的体重比小孩大。按上述的观点，比赛就可以不举行了。只要测一测每一队的体重和鞋底与地面间的摩擦因数就可以了。这么激动人 心的团队比赛，怎么就和队员的努力没有关系呢？和啦啦队的努力没有关系呢？实际上，这个问题并不那么简单。拔河 比赛的胜负是多方面的因素共同作用的结果。有时会出现意想不到的比赛结果。正因为这样拔河比赛才精彩。（一）分析拔河比赛需要考虑的物理因素从物理角度分析拔河比赛。我们需要考虑的物体（或对象），应该有甲乙两队的队员、绳子和地面。需要考虑的因素有：人与地面的摩擦、队员的体重、

9、人手和绳子之间的摩擦、人手 握绳子的力、人拔河时的姿势和人手臂腿等肌肉的忍耐力，等。（二）拉力是如何产生，如何传递的在分析拔河比赛之前应认识清楚拔河时两队之间的拉力是如何产生的，如何传递的。拉力是由绳子传递的，它是由手与 绳子之间有相对滑动趋势时产生的静摩擦力。手与绳子之间的滑动趋势是由于人的身体要向后移动时产生的。而人的身 体要向后移动就必须用脚蹬地，使鞋底与地面产生相对的滑动趋势，于是脚就受到了一个地面施加的静摩擦力。当人处 于平衡状态时，绳上的拉力与鞋底受到的静摩擦力大小相等。另外，拔河比赛往往是多人的集体活动，所以拉力应是每 一个队员拉力的合力。（三）胜负的两种情况：第一种情况：输的一

10、队被拉得站了起来，然后向前扑倒 是因为以脚为轴点的力矩小，在对方的拉力作用下，人被 拉得“转”了起来，于是，脚就被迫地向前移动，最终输了比赛。第二种情况：输的一队被“原封不动”地拉动了 是因为脚与地面的摩擦力不够大，导致被“原封不动” 地脚擦着地 面拉动了，最终输了比赛。（四）由于需要考虑的因素较多，所以我们运用“控制变量”的方法，分几种情况作胜负分析。1从受力角度分析 当甲乙两队队员手与绳子之间的最大静摩擦力以及臂力等均大于队员的鞋底与地面的 最大静摩擦力时，此时人和绳子相对静止，拔河比赛的胜负才取决于地面对人的摩擦力的大小。即是文章开头所说的情 况。当甲乙两队队员对地的最大静摩擦力基本相同

11、均大于两队之间的拉力时，起决定作用的应是人手和绳子 之间的静摩擦力以及队员的忍耐力。人手和绳子之间静摩擦力总小于或等于人手和绳子之间的最大静摩 擦力。它与手握绳子的力有直接关系，即，握绳子的力越大摩擦因数越大，则最大静摩擦力也就越大。这也就是说在这种情况下，哪队手握绳子的力大，哪队的手就不容易打滑，哪队就会胜。如果手与绳子之间的最大静摩擦力也能满足要求，就要看运动员肌肉的耐力了。哪队的队员能够坚持的时间长哪队就可能取胜。2 从站立姿势看.拔河时队员的站立姿势同样也很重要。拔河时每一位运动员都不能看作质点。当脚 与地 面不会滑 动，在 分析人的平衡时可把脚看成转轴（或支点）。此时，绳子作用于手摩

12、擦力的力 矩与 人重力的力矩大小应 相等，否则人将翻倒。因此在拔河时人的姿势应为腿往前伸，重心向后，使 绳子 尽可能的 低，这样在脚与地面的摩擦因数足够（脚不滑动）时，尽可能的增大绳子上的拉力。对一个队来讲，绳子两侧的运动员要分配均匀，否则会出现摆尾，即左右的蛇形摆动。一旦出现这种情 况会使运动 员站立不稳，同时合力减小，即绳上的拉力减小。在势均力敌的情况下，调整姿势的原则如下： 第一，在地面摩擦力足 够，但已察觉到有被拉“转”的可能时，可将绳子稍放长一点，或者脚步稍作前移， 以使自身有更斜的斜度增加力 矩达到对绳的作用力增加的目的。 第二，当人没有被拉起，但脚步已有滑动的趋势时，可以收一点绳

13、子一一将斜度调小一点一一增加体重对 地面的正压 力，从而增加摩擦力。或者利用凹凸不平的地形，增加摩擦力。第三,当你确认自己队友的体重大于对方队员时，你还可以在领队的指挥下，一齐猛然用力一一绳子张 力等值地作 用于两队运动员一一对方运动员被拉“转”的可能性会增加，还可能使对方“阵脚大乱”3 从心理角度考虑，队员的心理素质，领队和啦啦队的作用也是很大的。虽然他们没有直接参与比赛，但 是他们的情绪 口号会直接影响到队员的情绪和用力的整齐程度。4 从技巧的角度分析，当两队的实力相当时队员用力的技巧也起很大的作用对于一个队的队员来说，运动 员并不是各个方面都是一样的。女口：有的运动员体重轻，但是肌肉力量

14、大，有的耐力强有的则是爆发力 强, 等等。所 以拔河时技巧的运用也很重要。比如拔河时有一个队员体重很重，但是臂力不行了（坚持 不了 下去了）。此时若该队员退出则必败无疑。但若此运动员趴到绳子上把自己的体重贡献给队员，尚有胜利的可能。5 从超重和失重角度分析 我们知道超重和失重会改变对地面的压力，进而影响地面对人的最大静摩擦力.如当对方增大拉力时， 要使身体的 重心同时突然加速向上少许使人处于短时的超重状态， 用来增加人对 地面的压力即增大地面 对人的最大静摩擦力。于此同时也增加了对对方的拉力，当拉力突然短时大于对方与地面的最大静摩擦力时，对方就有可能脚下打滑。我们知道物体之间的滑动摩擦力总小于

15、最大静摩擦力（在压力相同时），于是一旦对方的脚下打滑，将对方脚受的静摩擦力变成了滑动摩擦力，那么胜 利就有可能了。但人的重心不可能一直加速上升，也需要有减速阶段 ，如为了不让对方运动员把自己拉“转”，自己必 须有一个 相反的力矩一一保持斜靠后的姿势一一增加被拉“转”的难度。但是这样一来，体重对地面的正 压力将减小，同时最大 静摩擦力也会减小，却增加了被“原封不动”地拉动的可能性。所以这个技巧如果使用不好会恰得其反。这个技巧的使用要求领队以及拉 拉队口号要恰到好处。使得队 员的重心升降随口号周期变化。总之，拔河比赛的胜负与众多因素都有关系，在拔河比赛中，运动员总是保持斜靠后的姿势一一把来自 于地面的摩 擦力最大限度地转化为对绳的拉力。作为力的来源，毫无疑问是来自于运动员的体重，以及鞋 底与地面的摩擦系数。但 这只是前提。要把这种前提转化为对绳子的拉力，才能制胜。而技巧就在于：如 何使这种转化达到最大！，如选体重大 的运动员；选摩擦系数大的鞋子；在抓绳子的地方预先缠一些东西（或: 打结）以防止手打滑，等。掌握以上的调整诀 窍，齐心，就能够使你取胜的可能性达