風(fēng)速對乒乓球比賽影響的分析

王賀文，陳 靜，圣宗強

（1. 安徽理工大學(xué) 體育部，安徽 淮南 232001；2. 淮南一中，安徽 淮南 232001）

風(fēng)速對乒乓球比賽影響的分析

王賀文1，陳 靜2，圣宗強1

（1. 安徽理工大學(xué) 體育部，安徽 淮南 232001；2. 淮南一中，安徽 淮南 232001）

對體育場館內(nèi)風(fēng)的成因進行了分析，認(rèn)為乒乓球比賽時場館內(nèi)不可能做到絕對無風(fēng)。就不同風(fēng)力對乒乓球飛行軌跡的影響進行了定性分析，認(rèn)為在球速相對較慢（V風(fēng)≥1 m·s-1，V球≤5 m·s-1）時，不論是在順風(fēng)還是逆風(fēng)狀況，乒乓球的運行軌跡及其落點都會受到風(fēng)力的影響，因此乒乓球比賽時必須重視賽場內(nèi)的風(fēng)速檢測，對能引起賽場內(nèi)風(fēng)速的因素加以控制。

風(fēng)的成因；乒乓球運動；影響分析

1 前言

許多體育項目在不同程度上都會受到風(fēng)的影響。國際業(yè)余田徑聯(lián)合會的規(guī)則規(guī)定，對部分如100米、110米欄、200米、跳遠(yuǎn)和三級跳遠(yuǎn)等項目要測定風(fēng)速，當(dāng)順風(fēng)風(fēng)速超過2 m·s-1時，比賽成績只能用于決定當(dāng)場比賽名次，而不能作為比賽記錄。在標(biāo)槍投擲比賽中，風(fēng)向和風(fēng)速的綜合作用對于標(biāo)槍投擲距離影響較大，風(fēng)速對標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度的影響成正比關(guān)系[1]；羽毛球比賽明確規(guī)定場館內(nèi)風(fēng)速為0 m·s-1。乒乓球和羽毛球比賽一樣，都設(shè)在室內(nèi)體育館舉行，大型體育場館內(nèi)比賽時是否有風(fēng)，對乒乓球比賽是否產(chǎn)生影響？本文將進行探討。

2 風(fēng)的成因與測量

2.1 風(fēng)的成因及等級

風(fēng)是空氣的水平運動，自然界風(fēng)形成的直接原因是水平氣壓梯度力[2]。如圖1，地平面3區(qū)因受熱升溫，使得空氣膨脹上升，4區(qū)因溫度低于3區(qū)，使空氣收縮導(dǎo)致空氣下沉，這樣空氣垂直運動的結(jié)果就使同一平面上氣壓產(chǎn)生了差異。近地面3區(qū)——低壓，4區(qū)——高壓；空中1區(qū)——高壓，2區(qū)——低壓（同一平面上的相對狀況）。當(dāng)同一平面上有了氣壓差異，就會產(chǎn)生促使空氣由高壓流向低壓的水平氣壓梯度力。在該力的作用下，1區(qū)空氣就會向2區(qū)流動，4區(qū)空氣就會向3區(qū)流動，這樣空氣在同一水平面上流動就產(chǎn)生了風(fēng)。可見，水平氣壓梯度力是風(fēng)形成的原動力，直接決定了風(fēng)速與風(fēng)向。這種由于冷熱差異而引起的3→1→2→4→3空氣環(huán)流運動稱作熱力環(huán)流。

圖1 熱力環(huán)流圖

風(fēng)力的測量一般都使用風(fēng)速計，陸地上風(fēng)力等級從0級直到12級，見表1。

表1 風(fēng)力等級表

從表1可見，低于0.2 m·s-1以下屬于無風(fēng)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到2級（1.6-3.3 m·s-1）時，人會感覺到有風(fēng)。在世界大型體育比賽中，只有田徑、羽毛球和網(wǎng)球等少數(shù)項目在比賽時測量風(fēng)速，而乒乓球等許多室內(nèi)比賽都沒有對室內(nèi)風(fēng)速進行測量，然而在賽場的入口處經(jīng)常能感覺到風(fēng)，此時此地風(fēng)速至少在1.6 m·s-1以上。

2.2 引起場館內(nèi)風(fēng)的因素分析

在場館內(nèi)比賽，引起場館內(nèi)風(fēng)的因素很多，比賽時大型場館內(nèi)不可能做到絕對無風(fēng)。乒乓球比賽場館內(nèi)空間相對較大、通風(fēng)口較多，在比賽時雖然與外界有一定程度的隔離，但不可能做到完全隔離，當(dāng)室外風(fēng)速較大時，易受場外風(fēng)的影響使館內(nèi)空氣對流產(chǎn)生弱風(fēng)。即使在室外無風(fēng)的氣象條件下，從風(fēng)的形成原因來看，大型比賽場館內(nèi)觀眾人數(shù)多，造成館內(nèi)溫度升高，產(chǎn)生室內(nèi)外的水平氣壓梯度，形成熱力環(huán)流，在場館的出、入口和窗戶等通風(fēng)處產(chǎn)生明顯的風(fēng)。大型比賽時場館內(nèi)因觀眾人員密集、濕熱嚴(yán)重，要求在密集區(qū)有間歇性的送風(fēng)，場館內(nèi)便產(chǎn)生了風(fēng)。場館內(nèi)人員的走動、運動員的快速跑動也會造成空氣流動，瞬間產(chǎn)生風(fēng)。場館內(nèi)不同的地方風(fēng)速不同，靠近出、入口處風(fēng)速要大一些，靠近場館中央風(fēng)速要小一些。

3 乒乓球在空中飛行時受風(fēng)力影響的定性分析

3.1 乒乓球在空中運動時受力分析

圖2 乒乓球在飛行時的受力分析圖

乒乓球自身重量較輕，起始初速度低于400 km·h-1（研究表明乒乓球最快球速可以達(dá)到150 km·h-1），飛行時平均時速相對較小，屬于低速空氣動力學(xué)。根據(jù)流體力學(xué)原理可知，乒乓球在空中飛行時主要受空氣阻力、重力和風(fēng)力等作用（見圖2）。乒乓球所受重力G是一個定值（球重2.7 g，直徑40 mm），根據(jù)(1)式，得出重力為0.002 67 N；空氣阻力是一個變量，與空氣密度和物體的運動速度、形狀、體積、旋轉(zhuǎn)等有關(guān)，由摩擦阻力（氣流流經(jīng)物體兩側(cè)時，由于空氣的粘性而形成的摩擦力）和壓差阻力（是運動物體沿運動方向前后兩面所受的壓力差）共同構(gòu)成，摩擦阻力與球體的受力面和光滑度相關(guān)，壓差阻力大小受球體的旋轉(zhuǎn)影響，這兩種阻力在物體同一速度情況下，因物體的形狀不同會產(chǎn)生相當(dāng)大的差異。在不考慮乒乓球的旋轉(zhuǎn)理想狀況下，乒乓球飛行時在空氣中所受空氣阻力可用公式（2）計算，其中S是物體與空氣流速相對的正面投影面積，ρ是空氣密度，η為阻力系數(shù)（見表2），空氣密度和阻力系數(shù)在常溫下為定值（ρ=1.293 kg/m3；η=0.5），V為空氣和物體二者相對速度。由阻力公式可以看出，空中飛行的球體所受空氣阻力與二者相對速度平方成正比，與物體正面投影的面積成正比[3]，通過對不同球速計算可以求出空氣阻力大至對應(yīng)的數(shù)值（見表3）。乒乓球在空中飛行時所受到風(fēng)力大小和方向都是一個變量，根據(jù)公式(3)可知，求風(fēng)力必須知道風(fēng)壓和風(fēng)的密度，風(fēng)的密度計算很復(fù)雜，乒乓球受風(fēng)作用力的面積計算也比較復(fù)雜，同時空氣的溫度、密度、壓強、速度、單位流量等對風(fēng)力都會產(chǎn)生不同程度的影響，因此乒乓球受到風(fēng)力很難準(zhǔn)確計算。

表2 不同物體在常溫狀況下阻力系數(shù)值（η值）

表3 不同球速下空氣的阻力值（近似值）

3.2 風(fēng)對乒乓球飛行軌跡影響的定性分析

由上述乒乓球在空中受力分析可知，乒乓球因質(zhì)量輕，整個球的密度很小，但受力面積相對較大；乒乓球初速度很快（V球≥20 m·s-1）時球體受到的弱風(fēng)力（V風(fēng)≤3.3 m·s-1）和重力值（0.002 67 N）與球體所受的空氣阻力（≥0.625 N）相比很小可以不予考慮，主要考慮空氣阻力與球速的關(guān)系；當(dāng)乒乓球受到空氣的阻力以球速的平方在急速減少并且球速降至10 m·s-1以下時，在風(fēng)向與球的飛行方向一致的條件下，球體在空中所受的空氣阻力和風(fēng)力二者合一，可直接用空氣阻力來計算（見表4和表5）。由表4、表5可見，在V風(fēng)=1.0 m·s-1，V球=5 m·s-1和10 m·s-1狀況下，乒乓球在逆風(fēng)、無風(fēng)和順風(fēng)時乒乓球所受的力，中間最大差值為0.016 3和0.033，都已經(jīng)超出了球體所受的重力值。因此在V風(fēng)≥1 m·s-1、球速下降到V球速≤10 m·s-1時，風(fēng)的作用力對球的影響已非常明顯，必須加以考慮。

表4 順風(fēng)時不同風(fēng)速下空氣的阻力值（近似值）

表5 逆風(fēng)時空氣的阻力值（近似值）

乒乓球在空氣中運動是一個非常復(fù)雜的流體運動系統(tǒng)。正常情況下，乒乓球自身會有不同程度的旋轉(zhuǎn)，其速度和受力情況時刻都在變化。因此風(fēng)對乒乓球飛行軌跡影響程度很難做出定量的計算分析；但可以肯定的是在乒乓球速較慢的情況下，即使是弱風(fēng)對乒乓的運行軌跡也會造成很大的影響，風(fēng)速越大影響越大。順風(fēng)一方會增加球速、延長乒乓球的落點，逆風(fēng)方則會阻礙球速、縮短球的落點；側(cè)風(fēng)時乒乓球飛行軌跡會發(fā)生明顯的左右偏轉(zhuǎn)。這樣會直接影響運動員對球飛行軌跡的正確判斷，造成回球失誤。在乒乓球比賽時，經(jīng)常可以看到水平很高的運動員在比賽中莫名其妙的失誤，尤其在運動員側(cè)身準(zhǔn)備拉球時經(jīng)常會發(fā)生漏球、對不上點等現(xiàn)象。因下旋球球速較慢、且?guī)в忻黠@的回旋，運動員需要快速移動側(cè)身，帶動了瞬間的空氣流動，對球的飛行軌跡必定產(chǎn)生不同程度的影響，從而造成運動員對擊球點和擊球位置的判斷失誤。

3.3 乒乓球比賽時的風(fēng)速測定

在場館內(nèi)進行乒乓球比賽時，一般要求場館的風(fēng)速小于0.2 m·s-1左右，國際奧運會要求乒乓球和羽毛球場館在比賽時，室內(nèi)風(fēng)速必須降到0.2 m·s-1以下。而在現(xiàn)實許多乒乓球比賽中對風(fēng)速的要求和測量還沒有被重視。2008年北京奧運會乒乓球、羽毛球場館在建設(shè)時先采用大的通風(fēng)口輸送冷氣，經(jīng)過多次室內(nèi)風(fēng)速計測量后，發(fā)現(xiàn)場館冷氣的風(fēng)力很難控制在0.2 m·s-1以下，后來設(shè)計者改大的通風(fēng)口為在每個座位上裝一個小的出氣口，方便輸送冷氣。由此可見北京奧運會的比賽場館內(nèi)都不能保證比賽期間風(fēng)速低于0.2 m·s-1，因此準(zhǔn)確、方便地測量比賽現(xiàn)場的風(fēng)速對乒乓球比賽是不可缺少的。

室內(nèi)風(fēng)速的測量可以采用五點測量法，即對四周的4個點和中間的1個點分別進行測量，在比賽的不同時期都要進行測量，防止室內(nèi)風(fēng)力發(fā)生變化。當(dāng)風(fēng)速影響到乒乓球飛行的軌跡，不能認(rèn)為風(fēng)速對雙方隊員都產(chǎn)生了影響，而無視風(fēng)速的問題，為了比賽的公平、公正可適當(dāng)暫停比賽，當(dāng)室內(nèi)風(fēng)速降至不影響球速時，可繼續(xù)進行。同時模擬大型場館的氣候條件，加強風(fēng)速對乒乓球影響的研究，對運動員科學(xué)訓(xùn)練也有幫助。

4 結(jié)論

乒乓球比賽大型場館內(nèi)不可能做到室內(nèi)無風(fēng)，乒乓球在球速較慢時其運動軌跡容易受風(fēng)力的影響，必須考慮場館內(nèi)風(fēng)速因素，應(yīng)加強賽前、賽中室內(nèi)風(fēng)速的測定，減少比賽時引起室內(nèi)風(fēng)速的因素。

[1]李遠(yuǎn)樂.風(fēng)對標(biāo)槍飛行初始條件及遠(yuǎn)度的影響[J].中國體育科技,2002(7).

[2]潘樹榮,伍光和,陳傳康,等.自然地理學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1999:98-104.

[3]李冀祺.流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京科學(xué)出版社,1983:120.

[4]霍洪峰.重力,科里奧利力和不同等級風(fēng)速對射擊比賽中子彈飛行軌跡的影響[J].天津體育學(xué)院學(xué)報,2007, 22(2).

[5]《運動生物力學(xué)》編寫組.運動生物力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2000:281-290.

[6]張翠翠.2008奧運羽毛球館新型炫支穹頂結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)及風(fēng)振系數(shù)研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2008:4.

（責(zé)任編輯、校對：孫海祥）

Analysis of Table Tennis Competition Affected by Wind Speed

WANG He-wen1, CHEN-jing2, SHENG Zhong-qiang1
(1. Department of Physical Education, Anhui University of Science & Techniques, Huainan 232001, China; 2. Huainan No.1 High School in Anhui, Huainan 232001, China)

After analyzing the formation of wind in stadium a conclusion is drawn that no wind is impossible in stadiums when a competition is on. Qualitative analysis of the impact of wind power on the pingpang ball’s flying trajectory has been carried out. The pingpang ball’s flying trajectory will be impacted when its speed is relatively smaller than that of the wind in spite of the wind’s direction. It is suggested that attentions should be paid on the check of wind speed in stadiums and some measures should be adopted to control the factors of wind speed.

formation of wind speed; flying lines of table tennis; factors analysis

G846

A

1009-9115(2012)05-0084-03

2012-04-09

王賀文（1975-），男，安徽淮南人，碩士，講師，研究方向為體育教學(xué)與訓(xùn)練。