出品：科普中國(guó)

制作：劉聰 吳臣武（中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

乒乓球運(yùn)動(dòng)是我國(guó)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目，在歷屆奧運(yùn)會(huì)中，我國(guó)乒乓球隊(duì)都有十分優(yōu)異的表現(xiàn)。甚至在乒乓球隊(duì)共同的努力下，讓東京奧運(yùn)會(huì)的乒乓球單打決賽成為了“隊(duì)內(nèi)訓(xùn)練賽”，金銀牌的角逐也成為了國(guó)家隊(duì)的勝利會(huì)師。

△2021年7月29日，分別獲得2020東京奧運(yùn)會(huì)女子單打冠亞軍的陳夢(mèng)和孫穎莎共同展示國(guó)旗；7月30日，分別獲得男子單打冠亞軍的馬龍和樊振東共同展示國(guó)旗（圖片來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)）

但為成績(jī)自豪的同時(shí)，大家有沒(méi)有注意過(guò)乒乓球比賽的細(xì)節(jié)呢？比如：小小的乒乓球，是如何擁有巨大力量的呢？為什么賽前裁判要特地檢查比賽雙方的球拍？大家為什么要自帶球拍，每個(gè)人的球拍不一樣嗎？

△孫穎莎和伊藤美誠(chéng)在賽前相互檢查球拍（圖片來(lái)源：截圖自央視）

電光火石間 乒乒乓乓中的撞擊動(dòng)力學(xué)！

首先，我們要知道，賽場(chǎng)上“乒乒乓乓”，往復(fù)飛躍，主要源于球和拍之間的撞擊動(dòng)力學(xué)過(guò)程。比賽中，球和球拍的碰撞接觸時(shí)間僅為千分之一秒，乒乓球飛行速度最高可達(dá)每秒47米！電光火石之間，球拍表層的橡膠和海綿會(huì)因?yàn)榍虻目焖贁D壓而變形、同時(shí)吸收動(dòng)能儲(chǔ)存變形能（當(dāng)然，球也會(huì)變形儲(chǔ)能，木板層也會(huì)發(fā)生微小變形）；而當(dāng)總動(dòng)能接近零時(shí)，形變會(huì)達(dá)到最大值，海綿和橡膠層形變恢復(fù)，變形能快速釋放，轉(zhuǎn)化為乒乓球的動(dòng)能，于是乒乓球“脫板”而飛，抵達(dá)對(duì)方隊(duì)員球拍后，又會(huì)開(kāi)始下一次的碰撞與飛躍。

△球和球拍的碰撞（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1] ）

如果在擊球瞬間，乒乓球的受力方向沒(méi)有通過(guò)球心，切向摩擦力就會(huì)使球發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。除了球和拍的相對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)外，影響切向摩擦力的主要原因是球與拍的材質(zhì)和工藝，因此,通過(guò)優(yōu)化技術(shù)可以制造出更高級(jí)的球和球拍，讓擊球更具“殺傷力”。

球拍為何要仔細(xì)檢查？看完你就懂了！

目前的國(guó)際比賽中，乒乓球是由賽場(chǎng)統(tǒng)一提供的，但球拍卻是隊(duì)員自行攜帶的，這是為什么呢？

因?yàn)榍蚺牡氖褂闷鹾现\(yùn)動(dòng)員的自身特點(diǎn)和習(xí)慣，往往需要長(zhǎng)時(shí)間的磨合才能提升技巧水平、達(dá)到“人拍合一”的境界，而乒乓球本身則影響沒(méi)那么大。

但從另一方面而言，球拍的自行攜帶機(jī)制也從硬件上給比賽帶來(lái)了極大的不確定性！

可以想象，為了爭(zhēng)取更大的勝利，各國(guó)都會(huì)投入大量研發(fā)工作來(lái)提升球拍性能，球拍結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜；縱觀乒乓球運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，技術(shù)打法的革新與球拍變革息息相關(guān)。

目前，球拍大都由底板、海綿和膠皮三部分組成，隨著這三部分結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新，技術(shù)打法越來(lái)越追求快速、強(qiáng)旋轉(zhuǎn)，重視“幾招斃命”、回合減少的“速效”打法，但同時(shí)，這會(huì)顯著降低乒乓球比賽的觀賞性和趣味性，讓“拼體育技術(shù)”變成了“拼工業(yè)技術(shù)”，與奧運(yùn)的競(jìng)技精神可不相符。

△乒乓球拍（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

好在，國(guó)際乒聯(lián)對(duì)直接影響球拍和球撞擊過(guò)程的重要參數(shù)上給出了系列規(guī)范。雖然對(duì)球拍形狀和重量沒(méi)有規(guī)定，但在球板特性如應(yīng)足夠平整、堅(jiān)硬；底板至少應(yīng)有85%天然木料層，木料層之間的粘合層等厚度不得超過(guò)總厚度的7.5%、也不能超過(guò)0.35mm，海綿層厚度不能超過(guò)0.4mm，橡膠層不允許使用長(zhǎng)膠等等上進(jìn)行了規(guī)定。

因此，為了進(jìn)一步保證比賽的技術(shù)公平性，賽前會(huì)有專門的檢測(cè)處對(duì)球拍進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括水溶性膠水、膠皮海綿厚度、球拍表面平整度、球拍表面光澤度以及膠皮海綿合法性。

這下，你明白為何運(yùn)動(dòng)員的球拍為何要被一一檢查了嗎？

△2021年8月1日，中國(guó)乒乓球男雙組合中的許昕擊球（圖片來(lái)源見(jiàn)水?。?/p>

在球拍的發(fā)展歷程中，還有一個(gè)小插曲——早期運(yùn)動(dòng)員使用橡膠精溶解到有機(jī)溶劑后制成的快速膠水，來(lái)實(shí)現(xiàn)多變的撞擊以控制球速和轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)樗谡澈锨蚺牡装搴秃＞d層時(shí)，能在短時(shí)間內(nèi)形成特殊的分布式氣囊結(jié)構(gòu)；然而，這種快速膠水對(duì)人體傷害很大，所以漸被禁用，而球拍是否含有快速膠水也成一項(xiàng)重要的檢測(cè)指標(biāo)。

人靠衣裝馬靠鞍，乒乓選手看底板

球拍底板雖然不直接觸球，但卻是整個(gè)球拍的承力主體。和底板相關(guān)的參數(shù)有：硬度、彈性和底勁。“底勁”又是啥？從力學(xué)上簡(jiǎn)單地講，它可以理解為防止球與拍碰撞能量耗散的一股“勁兒”。最有“底勁”的極限理想情況是“存多少、就能取多少”。一般而言，球拍底板木料不多于七層，因?yàn)閷訑?shù)越多、表現(xiàn)越硬，所以快攻選手往往選用七層硬木板、弧圈選手則常常選用五層夾芯軟底板，真是“人靠衣裝馬靠鞍，乒乓選手看底板”。

新材料的引入，也讓球拍底板性能提升很快：碳纖維比重輕、形變小，恢復(fù)時(shí)間短、回球速度快，還能夠打出高速低弧線球；芳綸纖維撞擊減震、底勁充足，能保護(hù)運(yùn)動(dòng)員手腕；芳綸纖維和碳纖維混編底板則兼顧了兩者特性，既有快的脫板速度、又有柔和手感；高強(qiáng)玻璃纖維最接近純木手感、又有遠(yuǎn)超純木的變形恢復(fù)速度，適合現(xiàn)代鞭打式擊球。

總之，地板取材豐富多彩，因人而異各取所需，真可謂“量體裁衣”了。

膠皮、海綿：與地板相輔相成的軟性材料

作為直接接觸球體的膠皮，其工藝技術(shù)更是日新月異。當(dāng)前，膠皮大致分為顆粒膠和反貼膠兩類，顆粒膠又分為正膠、生膠和長(zhǎng)膠；反貼膠分為反膠和防弧膠，不同的膠皮有著不同的摩擦能力，可以配合不同的打法。

中國(guó)乒乓球協(xié)會(huì)主席劉國(guó)梁在運(yùn)動(dòng)員時(shí)期所使用的球拍就是正膠膠皮的，世界女子乒乓球首位大滿貫得主鄧亞萍所用的則是長(zhǎng)膠膠皮，而剛剛衛(wèi)冕奧運(yùn)會(huì)男子單打冠軍的馬龍則是使用反膠膠皮，反膠膠皮也是目前世界一流乒乓球手的主流選擇。

海綿是貼在底板和膠皮之間的一層發(fā)泡橡膠，主要作用是拉長(zhǎng)球、拍接觸時(shí)間，增加球拍的彈性和摩擦切球的能力。海綿有高彈和低彈兩種不同的類型：高彈海綿彈性大，回球旋轉(zhuǎn)和速度都較強(qiáng)；低彈海綿控球穩(wěn)健，容易控球，擊球運(yùn)動(dòng)員需要發(fā)揮更多自身力量。膠皮與海綿配置與底板性能的發(fā)揮相輔相成，互相成就。

最終，膠皮、海綿和底板的不同組合讓球拍們展示出各有千秋的特別性能。

球的變遷：ABS與大球時(shí)代

說(shuō)完球拍，咱們也說(shuō)說(shuō)球。

為了增加乒乓球運(yùn)動(dòng)的觀賞性，2000年，國(guó)際乒聯(lián)將其直徑從38毫米增加到40毫米，開(kāi)啟了乒乓球的大球時(shí)代。

大球飛行阻力更大、旋轉(zhuǎn)時(shí)空氣摩擦力矩也更大，且自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也大，因此大球的飛行速度和旋轉(zhuǎn)速度也更低。想讓球快速轉(zhuǎn)起，運(yùn)動(dòng)員往往需要付出更大努力。

與球拍的變遷史類似，乒乓球本身的材料也是幾經(jīng)更替。2014年，服役百余年的賽璐珞球被換為安全環(huán)保的無(wú)縫塑料球，因?yàn)橘愯寸笥卸厩乙兹肌２贿^(guò)在干冷環(huán)境里，無(wú)縫塑料球容易爆裂，損耗率比賽璐珞球高20~30%。所以，2017年，世乒賽開(kāi)始廣泛采用ABS材質(zhì)，作為一種三元共聚物，ABS具有更好的性能和更低的成本。

△乒乓球（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

“工欲善其事，必先利其器”，球與拍就是是乒乓賽場(chǎng)的武器裝備。對(duì)于運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，好的裝備能以更大限度的發(fā)揮出高水準(zhǔn)，給觀眾帶來(lái)更炫的表演。縱觀乒乓球發(fā)展史，球拍和球的技術(shù)進(jìn)步互為挑戰(zhàn)，相輔相成：球拍不斷朝著彈性更高、摩擦操控性更強(qiáng)的方向發(fā)展，目的是使球速更快、運(yùn)動(dòng)軌跡更難以捉摸；乒乓球卻是朝著體積更大、慣性更大的方向發(fā)展，目的是使它飛行更穩(wěn)定、精彩更持久。

乒乓球在變，球拍也在變，但是努力拼搏的中國(guó)乒乓球的精神不變，世界和平的奧運(yùn)精神不變，讓我們祝福所有健兒再創(chuàng)佳績(jī)！

參考資料：

1. 乒乓球的前世今生[J]. 走近科學(xué), 2009, 000(002):52-57.

2. 乒乓球教材小組. 乒乓球[M]. 北京:人民體育出版社, 1992:95.

3. 費(fèi)曼. 物理講義 第一卷[M]. 北京:世界圖書(shū)出版公司，2008:4-5