什麼是鞭打式發力?大學教授才能看懂的理論:甩鞭子的物理過程

簡介:甩鞭子時,能量是以孤立波的形式向前運動;當它達到鞭子的末端,孤立波不再完整,質量逐漸減少,因為能量守恆,從而速度增加,直到達到音速形成音爆,這就是“鞭梢效應”。鞭子跟手臂有三個根本區別,手臂既不能像鞭子一樣運動,更沒有鞭梢效應。“發力匹配”的概念,指導我們去優化身體、大臂、小臂和手發力過程。討論了一個鐵鏈甩鞭子的實驗。

在乒乓球界,許多人都使用“甩鞭子”來形容正手拉球的發力過程。如果這僅僅只是教練員的一種形象比喻說法,雖說不準確,倒也無關大礙。但是如果要求學員以此為據,規範自己的動作,尤其是以鞭梢效應來解釋發力機制,就不正確了!

什麼是鞭打式發力?大學教授才能看懂的理論:甩鞭子的物理過程

一)甩鞭過程的孤立波。

在甩鞭子的過程中(見圖1),能量不是以正弦波的形式傳播,而是以一個有限空間範圍(集中在一個小範圍內)的局域波的形式沿著鞭子向前傳播的,這個局域波被稱為“孤立波”(英文為Soliton),是非線性物理中的一種波動。

什麼是鞭打式發力?大學教授才能看懂的理論:甩鞭子的物理過程

二)鞭梢效應。

所謂“鞭梢效應”是甩鞭子的過程裡,最具有特點的事物。當鞭子裡的孤立波傳播時,帶著相應的能量前進,但是當孤立波到達鞭子的末梢時,孤立波開始變得不再完整,質量逐漸減小,不過能量保持不變,沒有減小,這樣一來孤立波的速度必然不斷加大,才能使能量守恆,直至速度達到、甚至超過音速,以“音爆”的方式把能量釋放到空氣裡去。但一般情況下不會完全釋放,波的剩餘能量還會在鞭梢反射回來,形成一個很複雜的運動。

三)手臂和鞭子的區別。

1.鞭子是具有無窮維自由度的連續介質,其中可以允許存在孤立波,因而可以產生鞭梢效應;而手臂只具有有限維的自由度,既不可能存在孤立波,更不可能有鞭梢效應。

2.鞭子的每一個部分都是軟的,沒有肌肉,不可能發力;而手臂的關節處都有相應的肌肉群,所以肩、肘、腕都可以發力,這個發力機制跟甩鞭子是完全不同的。

3.手臂有關節限制,其轉動不是沒有限制的;而鞭子沒有關節限制,可以隨意彎曲。

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四)關於甩鞭子打法。

既然手臂和鞭子是根本不同的,那麼什麼是“甩鞭子打法”呢?有一種典型定義,就是身體先加速,然後大臂加速,再然後是小臂,最後是手和球拍加速,認為這種順序很像是甩鞭子的過程,就把它稱作甩鞭子打法。

如果我們不去計較“甩鞭子打法”的名稱,這樣定義的打法當然是一種理論上的可能。但是我們在網上搜搜,發現實際上很少有人真正這樣打球。徐旋教授提出的“發力匹配”概念,指出在發力擊打的過程中,身體、大臂、小臂和手,幾個部分先後加速的順序,不是唯一的,其匹配是需要優化的。

五)甩鞭子的實例。

讓我們來看一個網上流傳的甩鞭子視頻的截圖(圖2)。表演者先向右甩動鐵鏈的鞭頭部,然後再向左甩動。我們可以清楚地看到,他發出去的能量,以一個半圓形的“波”的形式向鞭子的尾端傳播,並且在尾端發出了一個很響的聲音,這就是一個甩鞭過程和所謂“鞭梢效應”。

什麼是鞭打式發力?大學教授才能看懂的理論:甩鞭子的物理過程

這個實驗中所使用的鐵鏈,實際上是有限維度的,但我們可以將它看作無窮維。所謂“無窮”,在數學中是指一個極限過程;在物理中,則是指比某一個特定數大很多。在這個甩鐵鏈鞭子的實驗裡,從物理上分析,無窮應該是指“總鏈長比一個孤立波的波長要大很多”。

(注:視頻裡的甩鏈子實驗,跟理想狀態不同,它是在地面上摩擦的,能量是在隨時消耗。但是很巧妙,鏈子是逐漸變細的,單位長度的質量逐漸減少。所以能量雖然因為摩擦而在不斷消耗,但孤立波的大小卻能保持不變。)


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