从物理角度看排球运动：技术动作背后的科学原理

从物理角度看排球运动：技术动作背后的科学原理

排球运动不仅是一项竞技体育，更是一门精妙的物理学。从准备姿势到扣杀得分，每一个动作都蕴含着深刻的物理原理。本文将带你从物理的角度，深入解析排球运动中的各种技术动作，包括准备姿势、移动、传球、垫球、发球、扣球和拦网等。

排球技术中的物理问题与原理

排球技术包含，准备姿势、移动、传球、垫球、发球、扣球和拦网等技术。想要看懂排球，明白其中的物理原理，才算是真正地看懂了。那么，接下来让我们从物理的角度来了解这几种技术。

1、稳定角和准备姿势

运动员在地面上站立，重心和支持面边缘的连线就是一个三角形，三角形的稳定性就确保了运动员在运动中的稳定。稳定角就是重力作用线和重心至支持面边缘相应的连线间的夹角。排球运动员在场上的平衡稳定与支持面大小、重心的高低、稳定角大小的三个要素都有关系。稳定角越大，支持面越大，重心越低，越稳定；反之则不稳定。因此运动员会通常采用半蹲姿势准备，以增大稳定角，降低重心。

2、蹬地角和移动&起动

人体蹬地作用力与地面的夹角称为蹬地角。蹬地的力与地面的支持力是一对相互作用力，依据加速度公式，相同的支持反作用力下，运动员质量越小，加速度越大。为了提高移动的加速度，除增加蹬地的作用力外，适当减小蹬地角，也有利于取得最大的加速度。

3、传球技术分析

假定传球为一个匀速运动，物体在力的作用下，会产生加速度。球主要是依托蹬地、展体、伸臂的全身协调动作所构成的推力和手指、手腕的击球力量，构成一个合力作用于球体。

4、垫球技术分析

垫球时需要确保手臂和手成三角形，以确保垫球手臂的稳定性。

5、发球技术分析

依据动量守恒定理，物体动量改变的大小是内力和外力作用时间的乘积决定的。由于规则的限制，发球时击球时间很难明显改变，运动员主要通过作用力的改变来使球体取得不同水平的动量改变。

6、旋转球与曲线轨迹

由于球体表面并非完全平滑，击球作用力在作用到球体时，未经过球的重心，球就会在飞行过程中产生旋转。依据流体力学中的伯努利定律，球在旋转时，球面上绕流与周围空气活动方向一致的一侧，空气流线速度快，空气稀薄，构成低压区。另一侧，球面绕流和空气活动方向相反，空气流线速度低，空气稀疏，构成高压区。压力差构成合力，使得球的飞行轨迹为一个曲线，这就是马格努斯效应。

7、飘球是怎样发出来的？

飘球是发球队员发出的球没有旋转，不会以抛物线的轨迹运动，而是会在运动轨迹上产生飘晃，或是忽然失速下掉。关于飘球的成因，尚无定论，现在有以下的说明：

1. 球不旋转向前飞行，没有旋转轴，飞行轨迹不稳定；
2. 球体的变形使得球体产生振动。球体振动时一侧隆起，一侧凹陷，并不停地振动变形。隆起侧和凹陷侧空气的流速不同，两侧流速又不停地产生改变，压强差也在不停地产生改变，从而产生飘晃。
3. 不旋转的球，因受空气阻力速度减慢，到飞行 5～10m/s 时，就会遇到近两倍的强劲压力。因此，球会忽然失速，改变飞行路线。
4. 不旋转的球飞行时，球体后方的空气稀薄，产生涡流，涡流可以阻止和干扰球的飞行。
5. 球体表面粘合线与空气的活动方向顺逆不一，引起空气流速的改变，而形成阻力差，改变了球的正常轨迹。

8、扣球技术分析

扣球是排球运动中，最主要的得分技术，主要是扣球队员经过助跑起跳将在空中的球扣入对方场地。

9 拦网技术分析

体育科研家研究结果表明，下蹲时髋关节角度为 90°～100°、膝关节角度为 100°～110°、踝关节角度为 80°～90°，才能取得更高的弹跳高度，从力学角度讲，这样的角度容易发挥各肌肉群的最大力量。因此，起跳要特别强调下蹲的角度，这个结论同样也适合前述任何一种强调起跳高度的技术。

排球表面的空气动力学

球体运动时周围的空气运动，在很多球类运动中发挥着巨大的作用。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。我们刚刚讨论了，球类运动时的马格努斯效应，但是这个效应是基于将球类运动近似成完美球体的流体力学原理。实际上，球体表面的纹路也起到了至关重要的作用。

比如，高尔夫球表面的凹坑，可以让高尔夫球飞得更远。

当一个球形球在空气中运动时，一长串空气湍流会跟随在球的后方，导致球的速度减慢。但假如球的运动速度足够快，这种尾流会忽然紧缩，阻力会急剧下降，这种现象被称为阻力危机（drag crisis）。

在风洞实验中，科研人员发现标准排球的贴皮（标准排球有六块大贴皮，每块大贴皮由三个平行的矩形贴皮构成），可以导致排球的轨迹展现不可预测的飞行形式。并且还发现，球中的六边形图案明显降低了产生阻力危机所需的速率阈值，因此近似六边形凸贴皮使得排球容易扣出高速球。而凹形图案球则增加了该阈值，因此应尽量减小凹形面积。并且使用六边形或凹陷的图案可以明显提高飞行的稳定性。

2018年底，国际排联（FIVB）和米卡萨公司（Mikasa）推出最新设计的“MIKASA V200W”室内排球。2019年世界杯就采用的是这种排球，2020年东京奥运会也将会采用这种排球。球体上的双凹窝微纤维表面可以稳定球的飞行路径，并增加缓冲控制，防汗功能避免球在剧烈的比赛中变得滑溜。

有经验的排球运动员可以通过一些技巧在这些原理的基础上，让球在空中产生意外的轨迹，以达到得分的目的。

结语

20世纪80年代，我们曾经为世界大赛上获得五连冠的中国女排激动万分，在2019年振奋民心的国庆阅兵前，她们又在世界杯上捧起了辉煌的奖杯。2020年东京奥运会在即，中国女排正在积极备赛，中国女排从未停止过拼搏。

对于中国人来说，中国女排早已不只是运动团体了，它已经成为了一种精神，激励着我们拼搏向前，永不言败。

参考文献

1. 黄汉升.球类运动——排球[M]. 高等教育出版社, 2015.
2. 潘慧炬,胡振浩. 人体鞭打动作的力学模型[J]. 浙江体育科学, 1990(06):17-21.
3. 排球小知识——排球术语-搜狐
4. Magnus-Effekt – 100SekundenPhysik.de
5. The secret to sneaky float serves
6. 女排世界杯新官方用球登场 刘晏含：略微有点重 – 新浪体育
7. 排球规则介绍 带你看懂排球比赛 – 百度