这种球像“章鱼”，速度最快减速也最快

UFO爱好者

　　出品：科普中国
　　制作：韩桂来 (中国科学院力学研究所)
　　监制：中国科学院计算机网络信息中心
　　奥运赛场上，球速最快的是什么球？
　　想必认真看了比赛的同学都能回答：羽毛球！
　　那么，减速最快的是什么球？
　　答案还是：羽毛球！
　　这项运动咋这么特殊？我们一会通过三个实验来体验。
　　


　　图片来源：veer图库
　　像“章鱼”的羽毛球，也太特别了！
　　同奥运赛场上其他“球”相比，羽毛球是一种完全不同的球。我们首先来看一下羽毛球的结构，可分为半圆形的球头和长长的羽毛，乍一看并不像球，而更像是一只“章鱼”，而这只“章鱼”注定成为最特别的球类。
　　羽毛球拍的拍头是一张紧绷的网，其轻质的长柄结构，有利于运动员更好地发力和击球，尤其是在激烈的“扣杀”过程中可以更猛烈地击打球头，使得羽毛球时速可以轻松超过300公里/小时。很多羽毛球选手经常能打出时速400公里的球，目前在比赛中的球速世界记录是426公里/小时，由来自丹麦的男双选手科丁2017年1月10日在印度羽毛球超级联赛上创造。
　　那么问题来了，为什么轻飘飘的羽毛球速度能如此之快？
　　羽毛球拍相对于其他球类的拍子是比较容易发力的，挥拍的时候，角速度非常大。球拍又伸出手臂那么长一段距离，所以线速度更快。并且，运动员在击球时还会利用手腕的作用进行强化，而羽毛球又比较轻，所以在击球的瞬间，羽毛球得到了极高的起始速度。
　　

　　
　　中国羽毛球选手郑思维在2020年东京奥运会赛场上扣杀（图片来源：东京奥运会官方网站）
　　问题又来了，与棒球、垒球相比，羽毛球的球场却不大，总长不过13.4米。如果羽毛球以每秒钟90米的速度在球场飞驰，那是何等恐怖的现象？但是我们看羽毛球比赛时，并不会觉得球速那么快。实际上，因为羽毛球特殊的身材，它也是“减速最快的球”，很多时候只能留下“半个抛物线”的痕迹，便直直落下。这又是为何呢？
　　


　　中国羽毛球选手陈雨菲在2020年东京奥运会上赛场上救球（图片来源：东京奥运会官方网站）
　　为了让大家更容易理解羽毛球运动的独特之处，请大家不妨在脑中想象三个实验。
　　三个实验，让你更理解羽毛球
　　第一个实验：在太空中建立一个羽毛球场地，由两个固定在球场上的机器人激烈对打。
　　在太空中，由于处于失重和真空状态，羽毛球在自由飞行过程中会保持匀速直线运动，直到一个机器人用球拍击打球头后改变其运动状态。我们可以来臆想一下这个击球的过程。
　　羽毛球的质心（编者注：质量中心简称质心，指物质系统上被认为质量集中于此的一个假想点）靠近球头，在猛力击打羽毛球时，球头获得极高的瞬时速度，羽毛球能够在百分之二秒之内完成掉头翻身，并保持球头向前飞行。在这一瞬间，球头和羽毛部分的速度不一致，会导致羽毛球产生变形，羽毛会向内产生弯曲，变成一个“球柱”的形状，就好比一只章鱼并拢了所有布满吸盘的触须。
　　


　　图片来源：veer图库
　　随着羽毛球向前飞行，羽毛的弹性会让其逐步恢复形状，又变成原先的“锥形”的形状，成为一只张牙舞爪的章鱼。羽毛球会以最大的速度飞行，大小和方向都不变。
　　时速400公里的球飞来飞去，可能只有机器人能接到了，人眼无法看清球的轨迹。
　　第二个实验：两个机器人在空间站里对打羽毛球。
　　在空间站里，仍然是处于失重状态，与太空中不同之处就在于空间站中有空气，羽毛球的运动过程会受到空气的影响。
　　击球之后，羽毛球像一只触须并拢的章鱼，速度极快，但空气的阻力与速度的平方成正比，在空气的高阻力下羽毛球速度减小，同时气流的作用会让羽毛球产生绕中心轴的旋转。
　　然而，更为奇妙的是，旋转以及减速会加速羽毛张开的过程，从而进一步加快减速的过程，使得羽毛球就像一个逐渐张开的降落伞。因此，对方机器人击球后，羽毛球会处于一个极快的减速过程。如果空间站足够大，两个机器人距离稍远一些，这只羽毛球甚至可能会很快停在空中。
　　第三个实验：两名运动员在地面上对打羽毛球。
　　这时候，重力作用会让这个运动变得更加复杂。在太空和空间站中，羽毛球处于失重状态，会保持直线运动。而在地面上，重力会使得羽毛球处于更为复杂的抛体运动，其运动轨迹变得更加复杂。
　　假设运动员击球后，羽毛球初始方向为水平方向。在飞行过程中，羽毛球在水平方向的速度会迅速减小,与在空间站中运行规律类似；而在竖直方向受重力作用，速度迅速增加，因此羽毛球在运动过程中其速度方向与水平方向的夹角会越来越大，其运动轨迹会迅速偏离水平直到落地。
　　当运动员向对方后场打出高远球，当球到达对方上空时，水平方向速度较低，甚至可能造成羽毛球近似垂直地、快速落向地面。
　　正是因为羽毛球对空气阻力的高度敏感，格外“弱不禁风”，所以羽毛球比赛场地对风速规定非常高，规定地面以上9米区域内风速不能大于0.2米/秒。而在不同海拔高度和气温环境下，空气密度不一样，使用的球重量也不一样，海拔和温度越高用的球越轻。正式比赛中，主办方会在每天开赛前对不同速度的球进行测试，测试选手会在球场底线发球至对面落点测试区，主办方再依结果选择用球。
　　结语
　　这里仅仅介绍了羽毛球从高速运动到减速的过程。而实际上，羽毛球运动除了对力量和速度有要求，还特别讲究技巧和战术，比如比赛中有大量的迷惑对手的假动作。运动员大量的训练以及对竞争对手的研究，让羽毛球比赛充满了意想不到的变数和眼花缭乱的场景。
　　羽毛球的乐趣，大家不妨自己去体验吧！
　　


　　图片来源：veer图库
               
               

                           

                        
                        
                                
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                                        2021-08-05