中国科普博览，我们科学家有话说 阅读原文 张怡宁曾经在采访中说过，希望孩子参加球类运动（不是说一定要成为运动员），因为球类有各种旋转，各种运动，非常开发锻炼智力。 乒乓乒乓，你来我往之间，较量升级； 跳起、挥拍，球在力量与智慧的击打中穿梭； 追逐、超越，球跟着脚，在球场奔跑…… 总之，球类运动是奥运会不可或缺的部分，更是奥运赛场上不可忽视的精彩。 2020 年东京奥运会共设 33 个大项，339 个小项比赛，其中有 13 种球类运动，包括足球、篮球、排球、乒乓球、羽毛球、网球、橄榄球、水球、棒球、垒球、高尔夫球、曲棍球和手球。在冬季奥运会中，冰球也是常规项目。 所有球类运动无非是用手、脚、球棒或球拍击打球，球的尺寸、形状和重量差异使得它们具有不同的速度以及运动轨迹。 那么在这些球类运动中，速度最快的是哪种球？ 相信很多人都知道，答案其实是，外形一点也不像球的羽毛球。 中国女子羽毛球选手陈雨菲在 2020 东京奥运会上 (图片来源：中国奥林匹克委员会) 为什么是羽毛球? 2013 年 7 月，马来西亚运动员陈文宏与队友李宗伟受邀参加某公司的新球拍速度测试赛，陈文宏以 493 公里 / 小时（将近 137 米 / 秒）的速度创造了世界记录。 不过由于这是在实验室测试时的球速，不是在真实的比赛中，因此该记录并未得到吉尼斯世界纪录官方的认可。 虽然没有得到吉尼斯世界纪录官方的认可，很多人还是认为陈文宏创造了吉尼斯记录 (图片来源：http://www.karizmasport.si) 目前吉尼斯官方认可的最快的羽毛球记录来自丹麦选手科丁，2017 年 1 月 10 日，在印度羽毛球超级联赛上，科丁在正式比赛中杀出一记速度高达 426 公里 / 小时（约 118 m/s）的杀球。 这两个记录中，羽毛球的最高速度都比“复兴号”动车组列车的最高运行时速（400 公里 / 小时）要快。 各种球类运动的最高运动速度（图片来源：Physics of ball sports） 羽毛球为什么能飞得那么快？是因为它的“屁股”上插了 16 支鹅毛么？ 原因其实并不复杂，主要是因为羽毛球比较轻（重量只有 5 克），并且球拍足够长（不超过 680mm）。 各种球的尺寸、重量及速度等基本参数（图源：Annu. Rev. Fluid Mech，作者翻译） 不过，羽毛球真的有那么快吗？羽毛球场地长 13.4 米，若以 400 公里 / 时的球速计算，那它穿过全场仅需约 0.12 秒，而我们眨一次眼睛约需 0.2 秒，按道理我们根本看不清球的轨迹。 为什么观看球赛的时候，我们看到的羽毛球并没有那么快？ 这是因为羽毛球的最快速度只是在球离开球拍的一瞬间，而它的气动阻力非常大，这使它迅速减速。 球体在空中的运动往往只受到空气阻力和重力的作用，它的速度一般只会逐渐减小（篮球等例外）。想要获得最快的运动速度，球体需要在离开运动员接触的瞬间获得最大的加速度。相对于网球、足球和其它球体，羽毛球非常轻，因此同等大小的力在它身上则会产生更大的加速度。 高尔夫球和羽毛球的的挥拍动作 （图片来源：Physics of ball sports） 乒乓球的重量更小（2.5g），只有羽毛球的一半，它为什么不是最快的球？ 虽然乒乓球和羽毛球的击球方式相似，运动员在手臂、手腕以及球拍的共同作用下进行发力，挥拍产生极大的角速度，但乒乓球球拍的长度过短，它产生的线速度较小，乒乓球球拍提供的力远没有羽毛球球拍大，并且羽毛球拍更容易发力，因此羽毛球往往比乒乓球的速度更高。 羽毛球的英文名叫“badminton”，这是因为现代羽毛球运动的发祥地是英国的伯明顿。此外，它还有一个别名，“shuttle”，意为航天飞机、梭子等，这是因为羽毛球和航天飞机之间存在关联。 太空船一号飞行器（图源：airandspace） 羽毛球开始的速度非常快，但插满羽毛的形状可以使它在空中飞行时保持稳定。羽毛球涉及的空气动力学规律也为航天器“太空船一号”（SpaceShipOne）的研发工程师提供了灵感。 “太空船一号”是一架装有火箭发动机的有翼飞行器（名为“飞船”，实为飞机），它是第一个进入太空的私人投资建造的亚轨道飞行器。这架飞机上设有三个座位并且可以重复使用，价格相对低廉，为普通人实现太空旅行提供了一种潜在的选择。当飞机下降时，两段尾翼可以从水平位置旋转 90°，“垂直”地立站在飞机的后方，此时气流会在尾翼上产生较大的阻力，同时保证飞机降落时的稳定性，这和羽毛球上羽毛发挥的作用十分相似。 飞得最远的球——高尔夫球 羽毛球的快仅仅体现在一瞬间，在很多人看来，这似乎有一点“胜之不武”的成分。 严格意义上，一次击球过程中的平均速度往往更符合“最快”的标准。 由于阻力过大，羽毛球只得名落孙山，而此时拔得头筹的又会是谁呢？ 答案是高尔夫球。 正在打高尔夫球的爱好者（图源：selectbox.hr） 高尔夫球一骑绝尘，单次击球可以移动 200 米以上，毫无疑问，打高尔夫需要非常大的场地。 标准高尔夫球场，一般布置 18 个球洞，总长度要控制在 6002～6400 米，球场面积 50～75 公顷（1 公顷=10000 平方米），实际大小要根据球场的地形来确定。1868 年，“高尔夫之父”汤姆·莫里斯（Tom Morris）打出了第一个一杆进洞，震惊世人。 不仅如此，高尔夫还走出了地球，成为了首个星际间的球类运动项目。1971 年 2 月 6 日，执行阿波罗 14 号任务的宇航员艾伦·谢帕德（Alan Shepard）挥动球杆在月球上打起了高尔夫球，从而使他成为有史以来第一位，也是目前唯一一位在月亮上打过高尔夫球的人。 艾伦在登月前偷偷将球杆头藏在袜子里，登月后，他将球杆头和改造过的铁杆连接起来，组成了一支球杆。由于宇航服十分笨重，艾伦在月球上只能以单手击球，第一颗球打偏后落入了一个小型撞击坑，接着他直接挥杆击打第二颗球，第二颗球飞出了大约 183 米，由于月球上的重力只有地球上的六分之一，因此在月球上能轻松地打出更远的距离。至今，这两颗高尔夫球仍散落在月球表面。 正在月球打高尔夫球的宇航员艾伦（图源：NASA） 同是球类，赢的标准为什么差别这么大? 不知道你有没有考虑过一个问题，为什么乒乓球出界了要计分，而足球出界了却要罚球呢？ 球的尺寸、形状和重量差异使得它们具有不同的速度以及运动轨迹，这也导致这些运动的场地尺寸和同台参与的人数不尽相同。 球类单次运动的距离和场地的关系（图源：Physics of ball sports，作者翻译） 在上图中我们可以看到，在斜线以下的网球、排球和乒乓球等球类运动，它们的场地相对于球的运动距离偏小，球往往会出界，出界计分就变得合情合理。对于斜线上方的足球、篮球和高尔夫运动，球则不容易出界，单纯依靠出界不能在短期内决出胜负，因此还需要制定一个进球的规则。 所以，球类运动项目的比赛场地和规则并不是随意制定的，而是根据各种球体的运动规律，并通过严谨的数学计算才最终确定的。 无论球飞得快或慢、远或近，奥运赛场上，球类运动考验的是运动员们的力量、速度和技巧，而这过程中展现的拼搏精神始终感染着我们这些赛场外的观众。 参考文献： https://airandspace.si.edu/collection-objects/spaceshipone/nasm_A20050459000 https://deemples.com/weird-facts-about-golf/ Christophe Clanet. Sports Ballistics. Annu. Rev. Fluid Mech. 2015. 47:455–78 C. Cohen, C. Clanet. Physics of ball sports. EPN 47/3 https://allthatsinteresting.com/alan-shepard-golf-ball Remastered images reveal how far Alan Shepard hit a golf ball on the Moon | Ars Technica 作者：城明辰 出品：科普中国 监制：中国科学院计算机网络信息中心 阅读原文
