出品：科普中國
制作：劉聰 吳臣武（中國科學(xué)院力學(xué)研究所）
監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心
乒乓球運動是我國的傳統(tǒng)優(yōu)勢項目，在歷屆奧運會中，我國乒乓球隊都有十分優(yōu)異的表現(xiàn)。甚至在乒乓球隊共同的努力下，讓東京奧運會的乒乓球單打決賽成為了“隊內(nèi)訓(xùn)練賽”，金銀牌的角逐也成為了國家隊的勝利會師。
△2021年7月29日，分別獲得2020東京奧運會女子單打冠亞軍的陳夢和孫穎莎共同展示國旗；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旗
但為成績自豪的同時，大家有沒有注意過乒乓球比賽的細(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，每個人的球拍不一樣嗎？
孫穎莎和伊藤美誠在賽前相互檢查球拍（圖片來源：截圖自央視）
電光火石間 乒乒乓乓中的撞擊動力學(xué)！
首先，我們要知道，賽場上“乒乒乓乓”，往復(fù)飛躍，主要源于球和拍之間的撞擊動力學(xué)過程。比賽中，球和球拍的碰撞接觸時間僅為千分之一秒，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因為球的快速擠壓而變形、同時吸收動能儲存變形能（當(dāng)然，球也會變形儲能，木板層也會發(fā)生微小變形）；而當(dāng)總動能接近零時，形變會達(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)化為乒乓球的動能，于是乒乓球“脫板”而飛，抵達(dá)對方隊員球拍后，又會開始下一次的碰撞與飛躍。
球和球拍的碰撞（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1] ）
如果在擊球瞬間，乒乓球的受力方向沒有通過球心，切向摩擦力就會使球發(fā)生轉(zhuǎn)動。除了球和拍的相對運動姿態(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,通過優(yōu)化技術(shù)可以制造出更高級的球和球拍，讓擊球更具“殺傷力”。
球拍為何要仔細(xì)檢查？看完你就懂了！
目前的國際比賽中，乒乓球是由賽場統(tǒng)一提供的，但球拍卻是隊員自行攜帶的，這是為什么呢？
因為球拍的使用契合著運動員的自身特點和習(xí)慣，往往需要長時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那么大。
但從另一方面而言，球拍的自行攜帶機制也從硬件上給比賽帶來了極大的不確定性！
可以想象，為了爭取更大的勝利，各國都會投入大量研發(fā)工作來提升球拍性能，球拍結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜；縱觀乒乓球運動的發(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)打法越來越追求快速、強旋轉(zhuǎn)，重視“幾招斃命”、回合減少的“速效”打法，但同時，這會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)”，與奧運的競技精神可不相符。
好在，國際乒聯(lián)對直接影響球拍和球撞擊過程的重要參數(shù)上給出了系列規(guī)范。雖然對球拍形狀和重量沒有規(guī)定，但在球板特性如應(yīng)足夠平整、堅硬；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總厚度的7.5%、也不能超過0.35mm，海綿層厚度不能超過0.4mm，橡膠層不允許使用長膠等等上進行了規(guī)定。
因此，為了進一步保證比賽的技術(shù)公平性，賽前會有專門的檢測處對球拍進行檢測，檢測內(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，你明白為何運動員的球拍為何要被一一檢查了嗎？
2021年8月1日，中國乒乓球男雙組合中的許昕擊球
在球拍的發(fā)展歷程中，還有一個小插曲——早期運動員使用橡膠精溶解到有機溶劑后制成的快速膠水，來實現(xiàn)多變的撞擊以控制球速和轉(zhuǎn)動。因為它在粘合球拍底板和海綿層時，能在短時間內(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重要的檢測指標(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?！暗讋拧庇质巧?？從力學(xué)上簡單地講，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，因為層數(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，能保護運動員手腕；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，底板取材豐富多彩，因人而異各取所需，真可謂“量體裁衣”了。
膠皮、海綿：與底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。
中國乒乓球協(xié)會主席劉國梁在運動員時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膠膠皮，而剛剛衛(wèi)冕奧運會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，主要作用是拉長球、拍接觸時間，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；低彈海綿控球穩(wěn)健，容易控球，擊球運動員需要發(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令球拍們展示出各有千秋的特別性能。
球的變遷：ABS與大球時代
說完球拍，咱們也說說球。
為了增加乒乓球運動的觀賞性，2000年，國際乒聯(lián)將其直徑從38毫米增加到40毫米，開啟了乒乓球的大球時代。
大球飛行阻力更大、旋轉(zhuǎn)時空氣摩擦力矩也更大，且自身轉(zhuǎn)動慣量也大，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，運動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)保的無縫塑料球，因為賽璐珞有毒且易燃。不過在干冷環(huán)境里，無縫塑料球容易爆裂，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。
“工欲善其事，必先利其器”，球與拍就是是乒乓賽場的武器裝備。對于運動員來說，好的裝備能以更大限度的發(fā)揮出高水準(zhǔn)，給觀眾帶來更炫的表演?？v觀乒乓球發(fā)展史，球拍和球的技術(shù)進步互為挑戰(zhàn)，相輔相成：球拍不斷朝著彈性更高、摩擦操控性更強的方向發(fā)展，目的是使球速更快、運動軌跡更難以捉摸；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乒乓球的精神不變，世界和平的奧運精神不變，讓我們祝福所有健兒再創(chuàng)佳績！
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. 費曼. 物理講義 第一卷[M]. 北京:世界圖書出版公司，2008:4-5
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