樊振东夺冠背后的科学：乒乓球运动员为何都是力学高手？
樊振东夺冠背后的科学：乒乓球运动员为何都是力学高手？
近日，在巴黎奥运会乒乓球男单决赛中，中国选手樊振东以4:1战胜瑞典选手莫雷高德，夺得金牌，成功晋级为乒乓球大满贯得主。作为樊振东的出生地，这一刻，广州全城沸腾，广州塔为他亮灯！
看了如此扣人心弦的比赛，不禁为选手们的乒乓球打球技巧惊叹不已。既能旋转，又能拐弯，仿佛活起来了一样，这都是如何做到的？
乒乓球是怎么转起来的？
赛场上，运动员们通过不同的发球和接球手法，进行激烈地对抗。运动员出球速度快，留给对手的反应时间就短，能打得对手措手不及；同时，通过不同速度大小和方向出球，能够形成不同的落点，逼迫对方频繁进行前后、左右的移动来应对；而为了增加还击难度，还可以在出球时加上各种旋转，增大对方回球时的失误概率。
比赛对抗的难度、选手技法的高低一般通过乒乓球的前进速度和旋转强度来表现。那么，乒乓球是如何转起来的呢？
球拍与乒乓球在碰撞过程中，除了发生正碰外（法向的撞击力过球心），球拍相对于乒乓球的切向挥动还会引发相互摩擦力，并使球体发生转动。故球拍传递给球的力是撞击力与摩擦力的合力，前者改变球体的速度方向和大小，后者改变球体的转动方向和大小。如果没有摩擦力，就不能发生旋转，这也是“光板”球拍时代打不出像样旋转球的原因。
而为了达到可控的旋转，就要避免在球拍和乒乓球碰撞过程中出现滑动摩擦，让整个过程处于静摩擦力的作用范畴，也就是要使乒乓球旋转起来的切向速度与球拍的切向挥动速度一致。
乒乓球的旋转
静摩擦力的影响因素与球拍摩擦系数以及撞击力的大小有关。要使旋转变得可控的途径有两个，一个是增大击球时的出球速度，挥拍越快，拍与球之间的摩擦力越大；二个是提高球拍的“科技”含量，比如利用反贴胶材质和正胶颗粒顶端的细小花纹，或刷胶灌油等技术提高球拍的“粘性”。
“反直觉”的旋转球
如今，赛场上花样百出的旋转已经成为基本“杀伤”手段，但为什么旋转的乒乓球如此“不可捉摸”？
当一个旋转球与桌面或球拍发生碰撞时，除了撞击力外还会有摩擦力。在与桌面的碰撞时，如果没有旋转，乒乓球会在撞击力作用下反弹，摩擦力几乎可以忽略，反射角基本与入射角相等。如果乒乓球有旋转，那它与桌面碰撞时的摩擦力会使得反射角发生改变。
上旋球与下旋球的路径
旋转的乒乓球不仅在落台和触拍时会让人感到“反直觉”，它在空中飞行的路径也会同样“反直觉”，这与空气的粘性有关的。一方面，空气的粘性使得乒乓球飞行受阻，前进速度越快，空气阻力越大。粗略地估算，阻力与速度的平方成正比，这使得乒乓球的飞行并非抛物线轨迹。另一方面，旋转的乒乓球还会带动周围空气旋转，使得一侧空气速度增加，另一侧速度减小，形成非对称的气流。
马格努斯力示意图
若旋转角速度方向与前进方向不重合，乒乓球将受到一个“既垂直旋转角速度方向，又垂直于前进方向”的横向力，使飞行弧线发生偏移。若是上旋球，则产生向下的力，使得飞行弧线变低；反之，下旋球的飞行弧线升高；而侧旋球则朝左右方向飘飞。
在流体力学中，旋转物体运动产生的横向力被称为马格努斯力（Magnus Force），而这一现象则被称为马格努斯效应。由于空气阻力和马格努斯力的存在，飞行速度的大小和方向发生会发生“反直觉”般的非线性改变。
挥拍运动的好处
学习了这么多力学常识，在观赛时就可以用起来啦，感受乒乓球比赛优美而错落的节奏感。也可以尝试学习打出“反直觉”的球，将乒乓球等挥拍运动作为日常运动锻炼的方式之一，娱乐锻炼两不误。
据专家介绍，乒乓球等挥拍运动能够锻炼心肺功能，协调全身力量进行有效锻炼，好处多多：
控制血压：适度强度的挥拍运动可以降低收缩压和舒张压。通过运动，可以提高心脏的泵血效率，改善血管的弹性，促进血液循环，从而使血压得到控制。
减轻体重：挥拍运动可以帮助消耗多余热量，稳定好自身体重，有助于减少体内脂肪，降低心脏的负担，改善血管功能，并降低血压水平。
促进血管健康：挥拍运动，需要不停地移动、转体、跳跃、挥拍、击球，集协调性、灵敏性、柔韧性、耐力等素质于一身。挥拍运动可以扩张血管，改善血液流动，促进血管内皮细胞的功能，减少动脉硬化和血栓形成的风险，有利于降低发生心脑血管缺血性疾病的风险。
控制血脂血糖：挥拍运动有助降低血脂、血糖，是预防血脂异常和糖尿病的有效方法，长期坚持可以起到辅助降糖、降脂的效果。
锻炼肌肉力量：挥拍运动能够提高身体灵活性，通过刺激肩部肌肉及手臂肱二头肌与肱三头肌，有效增强肩部和手臂肌肉的力量。腿部肌肉会得到有效地锻炼。此外，还能预防颈椎病。
延缓大脑衰老：运动过程中，大脑需快速紧张思考球技和战术，需要动态记住双方的比分，有健脑功能，可以使大脑保持思维的敏捷性，提高反应力和记忆力，延缓老年人脑动脉硬化。
锻炼眼力眼神：运动过程中，眼睛盯球可以促进眼睛进行调节运动，还可加速眼球组织的血液供应和代谢。在快速进行中需要眼睛紧盯对手的动作和球的飞行方向，这时大脑得到高速运转，所以对眼力和大脑也是一种锻炼。
- 缓解压力焦虑：挥拍运动至少需要2个人参与，有助于建立健康的社交关系，缓解压力和焦虑。同时这种运动方式还会刺激大脑分泌让心情变好的内啡肽，能让人保持良好的心情。
看了这么多精彩的比赛，不知道你有没有手痒痒？那就赶紧行动起来，运用刚学到的知识，打出一记漂亮球，震惊四座！
资料参考：新华社、科普中国、科学大院、人民网科普、广州日报、健康时报
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