《奪冠》沒看過癮？帶你從物理角度分析排球武藝

出品：科普中國

制造：Kun

監(jiān)制：中國封建院盤算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中央

△圖 | 影戲《奪冠》泉源：中國影戲網(wǎng)

九個月，履歷了更名、春節(jié)撤檔、重新上映、提檔等一系列利用，《奪冠》終于上映了。“一種精力，兩次傳承，三代傳奇。”《奪冠》帶領(lǐng)我們重溫中國女排熱情熄滅的光陰。

在觀影之余，在為中國女排叫囂之余，你曉得飄球是怎樣發(fā)射的嗎，你曉得排球的武藝舉措眼前都有著怎樣的物理原理嗎？

今天我們帶你封建地看懂排球這項活動。

排球武藝中的物理成績與原理

排球武藝包含，準(zhǔn)備姿勢、挪動、傳球、墊球、發(fā)球、扣球和攔網(wǎng)等武藝。想要看懂排球，明白此中的物理原理，才算是真正地看懂了。那么，接下去讓我們從物理的角度來了解這幾種武藝。

1、安定角和準(zhǔn)備姿勢

活動隊員在地表上站立，重心和支持面邊沿的連線就是一個三角形，三角形的安定性就確保了隊員在活動中的安定。安定角就是重力作用線和重心至支持面邊沿相應(yīng)的連線間的夾角。排球運倡導(dǎo)在場上的均衡安定與支持面輕重、重心的上下、安定角輕重的三個要素都有干系。安定角越大，支持面越大，重心越低，越均衡安定；不然反之。以是運倡導(dǎo)會通常接納半蹲姿勢準(zhǔn)備，以增大安定角，低落重心。

△圖 | 安定角表現(xiàn)圖 泉源：《排球少年》

半蹲準(zhǔn)備姿勢，它多用于接發(fā)球、攔網(wǎng)和種種傳球。因此要求運倡導(dǎo)在場上堅持基本的站立姿勢是“兩腳支配開立，稍比肩寬，兩膝微屈，上體稍前傾，兩臂輕松，天然彎曲，雙手置于腹前。”

△圖 | 半蹲準(zhǔn)備姿勢 泉源：圖書《球類活動——排球》

2、蹬地角和挪動&起動

人體蹬地作用力與地表的夾角稱為蹬地角。蹬地的力與地表的支持力是一對互相作用力，依據(jù)增速率公式 ，相反的支持反作用力下，運倡導(dǎo)質(zhì)量越小，增速率越大。為了提高挪動的增速率，除增長蹬地的作用力外，得當(dāng)減小蹬地角，也有利于取得最大的增速率。

△圖 | 蹬地角表現(xiàn)圖 泉源：《排球少年》

《排球少年》中的日向翔陽，快速轉(zhuǎn)向成為了他甩開劈面攔網(wǎng)隊員的相對兵器。我們可以看到動漫中日向的蹬地腳比力小，他的肢體也比力輕盈（從他的身高可以看出來，嘻嘻），以是他擁有凡人不及的機(jī)動性。

起動要領(lǐng)：起動是防衛(wèi)隊員從準(zhǔn)備姿勢變?yōu)榛顒有螒B(tài)的一種腳步舉措。該歷程的力學(xué)原理就是毀壞肢體原有的均衡，快速起動在挪動朝向上的安定角要小，蹬地力氣要大，得當(dāng)減小蹬地角。固然，蹬地力氣和蹬地角是互相影響的，這是由于支持反作用力的水平分量是由取決于蹬地力垂直地表分量的摩擦力給出的，假如蹬地角過小，摩擦力不敷以給出充足的支持力水平分量，為了避免運倡導(dǎo)跌倒，運倡導(dǎo)的蹬地力氣會遭到限定。

3、傳球武藝分析

假定傳球為一個勻速活動，物體在力的作用下，會產(chǎn)生增速率。球主要是依托蹬地、展體、伸臂的渾身和諧舉措所構(gòu)成的推力和手指、伎倆的擊球力氣，構(gòu)成一個協(xié)力作用于球體。

△圖 | 傳球武藝 泉源：《排球少年》gif

當(dāng)協(xié)力朝向相反、輕重相稱的情況下，分力越多，一個分力的擾動越不容易對球的朝向形成偏離。傳球時擴(kuò)展出球面增長出球點，可以提高球的機(jī)動性。以是排球運倡導(dǎo)十指伸開呈半球狀，增長手與球的交往點，可以更好地控制球的朝向。

△圖 | 傳球手型 泉源：圖書《球類活動——排球》

4、墊球武藝分析

墊球時必要確保手臂和手成三角形，以確保墊球手臂的安定性。

若球不旋轉(zhuǎn)，可使用入射角與反向角的原理擊球。手臂墊擊平面與地表夾角的輕重直接影響著擊球的后果。墊球時手臂墊擊平面與地表夾角的輕重有關(guān)。為了確保切合的出球弧度，來球弧度高時，手臂應(yīng)與地表所構(gòu)成的夾角應(yīng)小；來球弧度平低時，則手臂角度應(yīng)大些，使來球以得當(dāng)弧度反彈飛向目標(biāo)。

△圖 | 墊球武藝 泉源：《排球少年》

若來球旋轉(zhuǎn)，除球給手臂一個作用力和手臂給球一個反作用力外，球的旋轉(zhuǎn)力也作用于手臂，而手臂也要給球的旋轉(zhuǎn)一個輕重相稱、朝向相反的反作用力，如此球觸手后反彈朝向為反彈力和旋轉(zhuǎn)反作用力的協(xié)力朝向。

△泉源：《排球少年》 gif

5、發(fā)球武藝分析

依據(jù)動量守恒定理 ，物體動量改動的輕重是內(nèi)力和外力作用時間的乘積決定的。由于端正的限定，發(fā)球時擊球時長很難分明厘革，運倡導(dǎo)主要經(jīng)過作用力的厘革來使球體取得不同水平的動量厘革。

△圖 | 發(fā)球武藝 泉源：《排球少年》 gif

同理，依據(jù)動量定理，在排球比賽中，防重扣球和接大力發(fā)球，由于來球力氣較大，不僅不克不及主動用力反擊來球，并且還要手臂隨球屈肘后撤，加長受力距離和時間，減小球給手臂單位時間力氣，以到達(dá)緩沖的目標(biāo)。

6、旋轉(zhuǎn)球與曲線軌跡

由于球體外表并非相對平滑，擊球作用力在作用到球體時，未經(jīng)過球的重心，球就會在飛行歷程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。依據(jù)流精力學(xué)中的伯努利定律，球在旋轉(zhuǎn)時，球面上繞流與四周氛圍活動朝向一律的一側(cè)，氛圍流線速率快，氛圍稀薄，構(gòu)成低壓區(qū)。另一側(cè)，球面繞流和氛圍活動朝向相反，氛圍流線速率低，氛圍稀疏，構(gòu)成高壓區(qū)。壓力差構(gòu)成協(xié)力，使得球的飛行軌跡為一個曲線，這就是馬格努斯效應(yīng)。

△圖 | 馬格努斯效應(yīng) 泉源：作者便宜

7、飄球是怎樣發(fā)射來的？

飄球是發(fā)球隊員發(fā)射去的球沒有旋轉(zhuǎn)，不會以拋物線的軌跡活動，而是會在活動軌跡上產(chǎn)生飄晃，或是忽然失速下掉。關(guān)于飄球的成因，尚無定論，現(xiàn)在有以下的表明：

1、球不旋轉(zhuǎn)向前飛行，沒有旋轉(zhuǎn)軸，飛行軌跡不安定；

2、球體的變形使得球體產(chǎn)生振動。球體振動時一側(cè)隆起，一側(cè)凹陷，并不休地振動變形。隆起側(cè)和凹陷側(cè)氛圍的流速不同，兩側(cè)流速又不休產(chǎn)生厘革，壓強差也在不休產(chǎn)生厘革，從而產(chǎn)生飄晃。

3、不旋轉(zhuǎn)的球，因受氛圍阻力速率減慢，到飛行 5～10m/s 時，就會碰到近兩倍的強壯壓力。因此，球會忽然失速，改動飛行路途。

4、不旋轉(zhuǎn)的球飛行時，球體后方的氛圍稀薄，產(chǎn)生渦流，渦流可以制止和干擾球的飛行。

5、球體外表粘合線與氛圍的活動朝向順逆不一，惹起氛圍流速的厘革，而形成阻力差，改動了球的正常軌跡。

△圖 | 正面上手發(fā)飄球 泉源：圖書《球類活動——排球》

飄球要領(lǐng)：要使作用力經(jīng)過球體的中部，使球不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。擊球時手和球交往面要小，發(fā)力忽然急促，伎倆擊球的時間要短。

8、扣球武藝分析

扣球是排球活動中，最主要的得分武藝，主要是扣球隊員經(jīng)過助跑起跳將在空中的球扣入對方園地。

起跳舉措的第一步起首是制動，運倡導(dǎo)最初跨出一大步，蹬地角減小，快速制動。跨出腳支持地表，發(fā)揚上體和手臂向上的增速作用，經(jīng)過制動增長踏跳時給地表的作用力，從而增長了支持反作用力，用力跳起。人體跳離地表的協(xié)力 F 是支持反作用力 R 和重力 G 的差，F(xiàn)=R-G。

△圖 | 扣球武藝 泉源：《排球少年》gif

擊球舉措就像鞭打的舉措。揮臂初期，手臂肘樞紐彎曲，以延長半徑，增長大臂轉(zhuǎn)動角度，完成大臂帶小臂、小臂帶伎倆的抽打舉措。簡便來說，一個鏈狀物體，在其質(zhì)量大的一端先微增速活動，在制動歷程中其動量向游離端轉(zhuǎn)達(dá)，使其末梢局部產(chǎn)生極大的活動速率，便是鞭打舉措的力學(xué)原理。

扣球武藝中的空中擊球舉措，人體的展體屈臂后振或拉臂舉措，依據(jù)轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)動定律，以及 ，的力學(xué)原理，先是屈臂減小轉(zhuǎn)動半徑 r ，從而增長角速率 ω ，在轉(zhuǎn)動角速率，ω 堅持較大值的條件下，加泰半徑 r ，從而增大上肢末了手掌的線速率 ，取得最大的轉(zhuǎn)動慣量。

9 攔網(wǎng)武藝分析

體育封建家研討后果標(biāo)明，下蹲時髖樞紐角度為 90°～100°、膝樞紐角度為 100°～110°、踝樞紐角度為 80°～90°，才干取得更高的彈跳高度，從力學(xué)角度講，如此的角度容易發(fā)揚各肌肉群的最大力氣。因此，起跳要特別重申下蹲的角度，這個結(jié)論相反也合適前述任何一種重申起跳高度的武藝。

△圖 | 攔網(wǎng)手型 泉源：圖書《球類活動——排球》

攔網(wǎng)要領(lǐng)：攔網(wǎng)擊球時，兩臂應(yīng)盡力挺直，前臂要接近球網(wǎng)，兩手間距離應(yīng)小于球體的直徑，防備漏球。為了給對方一傳增長救球難度，依據(jù)反彈紀(jì)律，兩手應(yīng)主動用力蓋帽或捂球。為了避免攔網(wǎng)出界，兩邊攔網(wǎng)隊員的外側(cè)手掌應(yīng)稍向內(nèi)轉(zhuǎn)。

△圖 | 攔網(wǎng)武藝 泉源：《排球少年》

排球外表的氛圍動力學(xué)

球體活動時周圍的氛圍活動，在很多球類活動中發(fā)揚著宏大的作用。足球中有“香蕉球”，棒球投手可以投出“蝴蝶球”，排球中也可以投出相似的球。我們剛剛討論了，球類活動時的馬格努斯效應(yīng)，但是這個效應(yīng)是基于將球類活動近似成完善球體的流精力學(xué)原理。實踐上，球體外表的紋路也起到了至關(guān)緊張的作用。

△圖 | 高爾夫球 泉源：Veer圖庫

比如，高爾夫球外表的凹坑，可以讓高爾夫球飛得更遠(yuǎn)。

當(dāng)一個球形球在氛圍中活動時，一長串氛圍湍流會跟隨在球的后方，招致球的速率減慢。但假如球的活動速率充足快，這種尾流會忽然緊縮，阻力會急劇下降，這種征象被稱為阻力危急（drag crisis）。

△圖 | (a）、(b)為傳統(tǒng)排球；(c)、(d)為古代外表改良的排球 泉源：The secret to sneaky float serves

在風(fēng)洞實驗中，科研職員發(fā)覺標(biāo)準(zhǔn)排球的貼皮（標(biāo)準(zhǔn)排球有六塊大貼皮，每塊大貼皮由三個平行的矩形貼皮構(gòu)成），可以招致排球的軌跡展現(xiàn)不成猜測的飛行形式。并且還發(fā)覺，球中的六邊形圖案明顯低落了產(chǎn)生阻力危急所需的速率閾值，以是近似六邊形凸貼皮使得排球容易扣出高速球。而凹形圖案球則增長了該閾值，以是應(yīng)盡約莫減小凹形面積。并且使用六邊形或凹陷的圖案可以明顯提高飛行的安定性。

△圖 | MIKASA V200W 泉源：作者便宜

2018年底，國際排聯(lián)（FIVB）和米卡薩公司（Mikasa）推出最新計劃的“MIKASA V200W”室內(nèi)排球。2019年天下杯就接納的是外表這種排球，2020年東京奧運會也將會接納這種排球。球體上的雙凹窩微纖維外表可以安定球的飛行途徑，并增長緩沖控制，防汗功效避免球在劇烈的比賽中變得滑溜。

有履歷的排球運倡導(dǎo)可以經(jīng)過一些本事在這些原理的基本上，讓球在空中產(chǎn)生不測的軌跡，以到達(dá)得分的目標(biāo)。

結(jié)語

20世紀(jì)80年代，我們以前為天下大賽上攫取五連冠的中國女排沖動萬分，在2019年奮發(fā)民意的國慶閱兵前，她們又在天下杯上捧起了光彩的獎杯。2020年東京奧運會在即，中國女排正在積極備賽，中國女排從未中止過拼搏。

關(guān)于中國人來說，中國女排早就不但是活動團(tuán)體了，它以前成為了一種精力，勉勵著我們拼搏向前，永不言敗。

參考文獻(xiàn)

黃漢升.球類活動——排球[M]. 高等教導(dǎo)出書社, 2015.

潘慧炬,胡振浩. 人體鞭打舉措的力學(xué)模子[J]. 浙江體育封建, 1990(06):17-21.

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