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羽球物理學

羽球物理學

圖/克拉克

文/簡麗賢

奧林匹克運動會全球矚目,其中巴黎奧運羽球金牌戰吸引上億觀眾,電視轉播收視率創新高。台灣球迷引領企盼的羽球雙打王齊麟、李洋「麟洋配」,在驚滔駭浪的金牌戰中拍下二連霸,振奮人心。

標準羽球場是長13.4公尺、寬6.10公尺的長方形,天花板的高度須高於6.10公尺,支撐球網的網柱固定在地面,球網頂部至地面的高度約1.52公尺,場地線寬0.040公尺,須用白色或黃色的顏料標示。在一定範圍的羽球場地一拍接一拍,一球接一球切磋技術,不論長球、短球、吊球、切球或扣殺,在豪邁或細膩的打法中,蘊含物理學概念。

碰撞運動  力學原理

練習打羽球的基本動作是持拍精準擊球。若以右手持拍,手臂用力往前揮拍觸擊羽球時,羽球飛行具有質量及速度的動量,我們的身體也會對著質量集中點的質量中心轉動,產生物理學的「角動量」;為了能符合擊球時身體平衡機制,因此右手臂揮拍瞬間,也會帶動左手臂自然揮動。當揮動手臂擊球時,除了提供羽球飛行的動能外,我們的身體也具有動能,因此打羽球時,消耗身體能量轉換成動能,伴隨流汗與燃燒脂肪。

羽毛球與球拍碰撞瞬間的反彈過程,涉及細膩的力學概念,包含「牛頓運動定律」與非彈性碰撞。羽毛球的球頭稱為球托,在與羽球拍的拍線瞬間碰撞時,球拍會吸收部分能量,因此屬於力學的非彈性碰撞。

揮動手臂揮拍擊球時,熟悉技巧的選手會善用手腕擊球,除了改變球拍拍面與球托的接觸點外,也能控制擊球瞬間的碰撞時間;改變球拍拍面可控制羽球飛行的方向與落點,控制擊球瞬間的碰撞時間,可以改變羽球碰撞後的受力大小。如果球托與拍面接觸時間愈短,羽球受到拍擊的作用力愈大,加速度也愈大,可飛行較遠的距離;若是距離較短的扣殺,透過改變拍面方向,殺球力道更強,更快著地。

依據斜向拋射的運動學概念,若想擊出長球,將球送至對方的底線區域,降低對方回擊扣殺的威力,除了增加擊球初速度外,擊球後羽球的斜向仰角大約在45度可使球飛行最遠;至於球是否會出界,端賴選手的經驗與手腕的控制。

球托加羽  強如箭矢

為何球托還要有羽毛相伴?這道理具有科學概念,與古人作戰或射箭打獵的「箭」相通。箭要擊中敵人或是擊中獵物,必須能發揮最大貫穿力,包含力道與準度,因此箭在空氣中飛行時,箭頭必須朝向前方,受到空氣阻力可最小,速率可最快。如果箭頭無法朝著飛行方向,很容易受到風的影響而偏離,箭就無法射準。該怎麼辦?從《孔子家語》的師生對話中,略窺孔子熟諳箭頭須加箭羽的物理概念。子路說:「南山有竹,不揉自直,斬而射之,通於犀革。何學之有?」孔子知道子路誤解學習的意義,盼能導正概念而回應:「括而羽之,鏃而砥礪之,其入不益深乎?」說明砍竹為箭,若能在箭上裝箭羽,把箭頭磨得更利,不就可以射得更深嗎?簡言之,就是精益求精。

何以箭頭須加箭羽?箭在飛行時,若箭頭與飛行方向不平行,箭尾受到氣流的阻力,會對箭的質量中心產生轉動力矩,此力矩會使箭頭、箭身與箭尾轉動至與飛行方向平行,藉此使箭調整至平行飛行的方向,降低空氣阻力,發揮準度與最大殺傷力。

羽球的球托須加上羽毛,道理與上述的箭身加箭羽的概念相通。如果飛行時,羽毛球的球托沒有朝著飛行方向,那麼羽球很容易被破壞,飛行軌跡變得凌亂無章法,阻力變大而飛不遠。

箭可射穿西瓜,那麼羽球是否也行?如果以世界球后戴姿穎或「麟洋配」的強力扣殺威力,網路提及羽球射穿小西瓜也符合物理學概念。

05 12 2024

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