球球的“內涵”

層層疊疊，各司其職

不同球類的運動規則不同，對球的結構要求也不同。總的來說，運動球類可以根據其結構分為空心球和實心球兩大類。

對于大多數空心球（例如籃球、足球、排球、網球等）而言，它們的內部結構大體可以分為內膽和外殼——內膽提供球的彈性，外殼的各層提供保護、支撐等功能。下面，讓我們以籃球為例，看看它的具體結構是什么樣子的。

通常，籃球內部結構從內到外分為4層——內膽、纏紗、中胎、表皮。

內膽：籃球比賽中，運動員通過不斷運球（用單手連續拍按或雙手交替拍按由地面反彈起來的球）發起進攻，這就要求籃球要有足夠好的彈性。籃球的內膽如同人的心臟一般，是產生彈性的主力。它將空氣密閉起來，維持球體的氣壓。為了提供較好的彈性，內膽往往采用較為柔軟且富有彈性的橡膠材料。

纏紗：打滿氣的內膽就像一個圓鼓鼓的氣球，被尖銳物體輕輕一碰就可能爆破。為了保護內膽，人們將紗線均勻地纏繞其上，形成由幾十層紗線構成的纏紗層。一般情況下，1個籃球的纏紗層就需要耗費超過2000米的紗線，紗線的選料為尼龍。如果纏紗層的質量不好，可能會引起籃球鼓包、變形。

?籃球的剖面圖（繪圖/閆麗真）

中胎：包好纏紗的內膽雖然彈性十足，但缺乏硬度，這會使其在使用中變形。因此，在兩者外部還需要再增加一層負責維持結構強度的中胎。中胎通常也由橡膠材料制成。

表皮：籃球的表皮，便是我們平時觀察到的最外層結構。我們的手和籃球反復不斷地貼緊、分離，所以，表皮不僅有保護作用，還需要提供合適的摩擦力，以防籃球在我們手中“滑走”。表皮的材料通常由聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）或牛皮等制成。

籃球中的物理知識

內膽氣壓與彈性

如果籃球太久沒用，球中的氣壓變小，它的彈性就會大大降低；如果籃球剛剛充完氣，球中的氣壓較高，就會彈性很強，甚至遠遠超出平時的彈跳水平。這是為什么呢？

在一次完整的籃球反彈過程中，它以一定速度與地面撞擊，并發生一定程度的形變，這種形變會吸收籃球撞擊前的大部分動能。

當籃球內部氣壓較低時，動能幾乎全部被籃球的外殼吸收。由于外殼沒有很高的彈性形變能力，這部分由外殼吸收的能量很難再次轉化為籃球的動能，籃球也就很難反彈到之前的高度。

而當籃球內部氣壓較高時，籃球的動能主要被其內部充滿空氣的內膽所吸收。內膽因具有較高的彈性形變能力，會將動能轉化為彈性勢能并迅速釋放，使球體擠壓地面。籃球受到的來自地面的支持力大于重力（地面給予的支持力方向向上，重力方向向下，籃球所受合力向上），因此獲得了一個向上的加速度；經過加速的籃球再次獲得了與碰撞之前大小相同、方向相反的速度，最終回到我們的手中。

表皮結構與摩擦力

根據上文，我們可以知道，表皮為籃球提供了合適的摩擦力（f）。摩擦力，即互相接觸的兩個物體發生相對運動或者運動趨勢時，阻礙它們產生相對運動或者運動趨勢的力。它的大小正比于兩個物體之間擠壓的力的大小（F）。

f=μ·F

在這個公式中，μ表示摩擦力和擠壓力兩者之間的系數，即摩擦系數。為了使我們在運球、投籃等過程中可以更加靈活地操控籃球，就要盡量減少籃球與手掌之間的相對滑動，增大摩擦力。這也意味著，在互相擠壓的力不變的情況下，籃球與手掌之間的摩擦系數必須足夠大。

那么，如何提高摩擦系數呢？生活經驗或許可以提供答案——你一定可以發現，我們可以在平坦光滑的冰面上滑動，卻很難在粗糙不平的水泥路上滑動。就像前人總結各種物理規律一樣，我們也可以將這種現象進行總結：在一般情況下，粗糙的表面摩擦系數大，光滑的表面摩擦系數小。因此，我們可以觀察到，籃球的表皮具有獨特的凹凸不平的坑洼結構，這便是為了增加摩擦系數、為使用者提供合適的摩擦力而設計的。

許多運動球類誕生之初，它們的結構和用料與如今相差甚遠。人們將科學成果運用到球類的制造中，完善結構、更新用料，并形成了成熟的生產系統，讓我們每個人都能更好地享受運動的快樂。科學與運動都是人類憑借創造力不斷突破自我的過程，向著“更高，更快，更強”的目標不斷前進！

摩擦力作用示意圖（供圖/ 史金陽）

知識拓展? 實心球的“內心”

高爾夫球

高爾夫球是一種典型的實心小球。按照剖面結構，高爾夫球可以分成單層球、雙層球、三層球和多層球。

單層球被稱為一體球，整體由一塊硬材料壓制而成，只在表面涂有一層聚合物材料。單層球雖然十分耐用，但性能較差。

雙層球即在橡膠球心外添加了一層外殼。這層外殼可以保護內部球心不變形，它的材料通常為塑料，質地不同也會給高爾夫球帶來不同的性能。雙層球也是高爾夫愛好者較常用的球。

不難想到，擊球的力越大，球就越容易變形。專業的高爾夫選手往往可以打出非常大力的一擊。為了讓高爾夫球在各種擊球力度下都可以產生最佳結果，三層球、多層球便誕生了。為了增加高爾夫球的強度、改變球體的重量分布，有的球心和外殼中還會添加鈦、鎢和鎂等金屬粉末。

棒球

棒球分為硬式棒球和軟式棒球：硬式棒球為實心球，軟式棒球為空心球。但由于軟式棒球的使用情況較少，此處僅討論硬式棒球的結構。

硬式棒球的結構十分簡單，它以軟木、橡膠或其他材料為內芯，在內芯外包裹絲線，再用兩片馬皮或牛皮縫制成緊實的外殼。