奧運(yùn)賽場(chǎng)上，哪種球速度最快？
出品：科普中國(guó)
制作：城明辰
監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
乒乓乒乓，你來(lái)我往之間，較量升級(jí)；
跳起、揮拍，球在力量與智慧的擊打中穿梭；
追逐、超越，球跟著腳，在球場(chǎng)奔跑……
球類(lèi)運(yùn)動(dòng)是奧運(yùn)會(huì)不可或缺的部分，更是奧運(yùn)賽場(chǎng)上不可忽視的精彩。
中國(guó)選手陳雨菲 (圖片來(lái)源：中國(guó)奧林匹克委員會(huì))
2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)共設(shè)33個(gè)大項(xiàng)，339個(gè)小項(xiàng)比賽，其中有13種球類(lèi)運(yùn)動(dòng)，包括足球、籃球、排球、乒乓球、羽毛球、網(wǎng)球、橄欖球、水球、棒球、壘球、高爾夫球、曲棍球和手球。在冬季奧運(yùn)會(huì)中，冰球也是常規(guī)項(xiàng)目。
所有球類(lèi)運(yùn)動(dòng)無(wú)非是用手、腳、球棒或球拍擊打球。球的尺寸、形狀和重量差異使得它們具有不同的速度以及運(yùn)動(dòng)軌跡。
那么問(wèn)題來(lái)了，在這些球類(lèi)運(yùn)動(dòng)中，速度最快的是哪種球？是令人熱血沸騰的足球，是揮汗如雨的網(wǎng)球，還是快得看不清軌跡的乒乓球？
答案其實(shí)是，外形一點(diǎn)也不像球的羽毛球。
奧運(yùn)場(chǎng)上速度最快的球，為什么是羽毛球?
事實(shí)上，這早已不是運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上的秘密。2013年7月，馬來(lái)西亞運(yùn)動(dòng)員陳文宏與隊(duì)友李宗偉受邀參加某公司的新球拍速度測(cè)試賽，陳文宏以493公里/小時(shí)（將近137米/秒）的速度創(chuàng)造了世界記錄。不過(guò)由于這是在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)的球速，不是在真實(shí)的比賽中，因此該記錄并未得到吉尼斯世界紀(jì)錄官方的認(rèn)可。
△雖然沒(méi)有得到吉尼斯世界紀(jì)錄官方的認(rèn)可，很多人還是認(rèn)為陳文宏創(chuàng)造了吉尼斯記錄 (圖片來(lái)源：http://www.karizmasport.si)
目前吉尼斯官方認(rèn)可的最快的羽毛球記錄來(lái)自丹麥選手科丁，2017年1月10日，在印度羽毛球超級(jí)聯(lián)賽上，科丁在正式比賽中殺出一記速度高達(dá)426 公里/小時(shí)（約118 m/s）的殺球。而這兩個(gè)記錄中，羽毛球的最高速度比“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車(chē)組列車(chē)的最高運(yùn)行時(shí)速（400公里/小時(shí)）要快。
各種球類(lèi)運(yùn)動(dòng)的最高運(yùn)動(dòng)速度（圖片來(lái)源：Physics of ball sports）
羽毛球真的有那么快嗎？羽毛球場(chǎng)地長(zhǎng)13.4米，若以400公里/時(shí)的球速計(jì)算，那它穿過(guò)全場(chǎng)僅需約0.12秒，而我們眨一次眼睛約需0.2秒，按道理我們根本看不清球的軌跡。為什么觀看球賽的時(shí)候，我們看到的羽毛球并沒(méi)有那么快？
這是因?yàn)橛鹈虻淖羁焖俣戎皇窃谇螂x開(kāi)球拍的一瞬間，而它的氣動(dòng)阻力非常大，這使它迅速減速。
羽毛球?yàn)槭裁茨茱w得那么快？是因?yàn)樗摹捌ü伞鄙喜辶?6支鵝毛么？
原因其實(shí)并不復(fù)雜，主要是因?yàn)橛鹈虮容^輕（重量只有5克），并且球拍足夠長(zhǎng)（不超過(guò)680mm）。
各種球的尺寸、重量及速度等基本參數(shù)（圖源：Annu. Rev. Fluid Mech，作者翻譯）
球體在空中的運(yùn)動(dòng)往往只受到空氣阻力和重力的作用，它的速度一般只會(huì)逐漸減?。ɑ@球等例外）。想要獲得最快的運(yùn)動(dòng)速度，球體需要在離開(kāi)運(yùn)動(dòng)員接觸的瞬間獲得最大的加速度。相對(duì)于網(wǎng)球、足球和其它球體，羽毛球非常輕，因此同等大小的力在它身上則會(huì)產(chǎn)生更大的加速度。
高爾夫球和羽毛球的的揮拍動(dòng)作 （圖片來(lái)源：Physics of ball sports）
乒乓球的重量更小（2.5g），只有羽毛球的一半，它為什么不是最快的球？
雖然乒乓球和羽毛球的擊球方式相似，運(yùn)動(dòng)員在手臂、手腕以及球拍的共同作用下進(jìn)行發(fā)力，揮拍產(chǎn)生極大的角速度，但乒乓球球拍的長(zhǎng)度過(guò)短，它產(chǎn)生的線速度較小，乒乓球球拍提供的力遠(yuǎn)沒(méi)有羽毛球球拍大，并且羽毛球拍更容易發(fā)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”，這是因?yàn)楝F(xiàn)代羽毛球運(yùn)動(dòng)的發(fā)祥地是英國(guó)的伯明頓。此外，它還有一個(gè)別名，“shuttle”，意為航天飛機(jī)、梭子等，這是因?yàn)橛鹈蚝秃教祜w機(jī)之間存在關(guān)聯(lián)。
太空船一號(hào)飛行器（圖源：airandspace）
羽毛球開(kāi)始的速度非?？?，但插滿羽毛的形狀可以使它在空中飛行時(shí)保持穩(wěn)定。羽毛球涉及的空氣動(dòng)力學(xué)規(guī)律也為航天器“太空船一號(hào)”（SpaceShipOne）的研發(fā)工程師提供了靈感。
“太空船一號(hào)”是一架裝有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的有翼飛行器（名為“飛船”，實(shí)為飛機(jī)），它是第一個(gè)進(jìn)入太空的私人投資建造的亞軌道飛行器。這架飛機(jī)上設(shè)有三個(gè)座位并且可以重復(fù)使用，價(jià)格相對(duì)低廉，為普通人實(shí)現(xiàn)太空旅行提供了一種潛在的選擇。當(dāng)飛機(jī)下降時(shí)，兩段尾翼可以從水平位置旋轉(zhuǎn)90°，“垂直”地立站在飛機(jī)的后方，此時(shí)氣流會(huì)在尾翼上產(chǎn)生較大的阻力，同時(shí)保證飛機(jī)降落時(shí)的穩(wěn)定性，這和羽毛球上羽毛發(fā)揮的作用十分相似。
飛得最遠(yuǎn)的球——高爾夫球
羽毛球的快僅僅體現(xiàn)在一瞬間，在很多人看來(lái)，這似乎有一點(diǎn)“勝之不武”的成分。嚴(yán)格意義上，一次擊球過(guò)程中的平均速度往往更符合“最快”的標(biāo)準(zhǔn)。由于阻力過(guò)大，羽毛球只得名落孫山，而此時(shí)拔得頭籌的又會(huì)是誰(shuí)呢？
正在打高爾夫球的愛(ài)好者（圖源：selectbox.hr）
答案是高爾夫球，你是不是又沒(méi)猜對(duì)？
高爾夫球一騎絕塵，單次擊球可以移動(dòng)200米以上，毫無(wú)疑問(wèn)，打高爾夫需要非常大的場(chǎng)地。
標(biāo)準(zhǔn)高爾夫球場(chǎng)，一般布置18個(gè)球洞，總長(zhǎng)度要控制在6002～6400米，球場(chǎng)面積50～75公頃（1公頃=10000平方米），實(shí)際大小要根據(jù)球場(chǎng)的地形來(lái)確定。1868年，“高爾夫之父”湯姆·莫里斯（Tom Morris）打出了第一個(gè)一桿進(jìn)洞，震驚世人。
不僅如此，高爾夫還走出了地球，成為了首個(gè)星際間的球類(lèi)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。1971年2月6日，執(zhí)行阿波羅14號(hào)任務(wù)的宇航員艾倫·謝帕德（Alan Shepard）揮動(dòng)球桿在月球上打起了高爾夫球，從而使他成為有史以來(lái)第一位，也是目前唯一一位在月亮上打過(guò)高爾夫球的人。
艾倫在登月前偷偷將球桿頭藏在襪子里，登月后，他將球桿頭和改造過(guò)的鐵桿連接起來(lái)，組成了一支球桿。由于宇航服十分笨重，艾倫在月球上只能以單手擊球，第一顆球打偏后落入了一個(gè)小型撞擊坑，接著他直接揮桿擊打第二顆球，第二顆球飛出了大約183米，由于月球上的重力只有地球上的六分之一，因此在月球上能輕松地打出更遠(yuǎn)的距離。至今，這兩顆高爾夫球仍散落在月球表面。
正在月球打高爾夫球的宇航員艾倫（圖源：NASA）
同是球類(lèi)，贏的標(biāo)準(zhǔn)為什么差別這么大?
不知道你有沒(méi)有考慮過(guò)一個(gè)問(wèn)題，為什么乒乓球出界了要計(jì)分，而足球出界了卻要罰球呢？
球的尺寸、形狀和重量差異使得它們具有不同的速度以及運(yùn)動(dòng)軌跡，這也導(dǎo)致這些運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)地尺寸和同臺(tái)參與的人數(shù)不盡相同。
球類(lèi)單次運(yùn)動(dòng)的距離和場(chǎng)地的關(guān)系（圖源：Physics of ball sports，作者翻譯）
在上圖中我們可以看到，在斜線以下的網(wǎng)球、排球和乒乓球等球類(lèi)運(yùn)動(dòng)，它們的場(chǎng)地相對(duì)于球的運(yùn)動(dòng)距離偏小，球往往會(huì)出界，出界計(jì)分就變得合情合理。對(duì)于斜線上方的足球、籃球和高爾夫運(yùn)動(dòng)，球則不容易出界，單純依靠出界不能在短期內(nèi)決出勝負(fù)，因此還需要制定一個(gè)進(jìn)球的規(guī)則。
所以，球類(lèi)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的比賽場(chǎng)地和規(guī)則并不是隨意制定的，而是根據(jù)各種球體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)計(jì)算才最終確定的。
無(wú)論球飛得快或慢、遠(yuǎn)或近，奧運(yùn)賽場(chǎng)上，球類(lèi)運(yùn)動(dòng)考驗(yàn)的是運(yùn)動(dòng)員們的力量、速度和技巧，而這過(guò)程中展現(xiàn)的拼搏精神始終感染著我們這些賽場(chǎng)外的觀眾。
參考文獻(xiàn)：
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
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