知数达理 | 你懂排球中的物理原理吗

(原载《知识窗》202012期)

2020年国庆期间，几经周折，由中宣部与国家体育总局联合拍摄的国产影片《夺冠》终于上映了。影片带领观众重温中国女排激情燃烧的岁月，在为中国女排呐喊之余，你知道排球的技术动作背后有着怎样的物理原理吗？

排球是—种广为流传的体育运动项目，排球运动对人体力量的把握能力和技能要求较高，这就需要利用物理学知识来提升排球的运动水准。其实，打排球时的准备姿势、移动传球、垫球、发球等动作都蕴藏着诸多物理原理。排球运动员站立时，重心和支撑面边缘的连线形成一个三角形，可以保证运动员在运动中的稳定性，其重力作用线和重心至支撑面边缘相应的连线间的夹角被称为稳定角，稳定角越大，支撑面越大，重心越低，越平衡稳定。因此，运动员通常会采取半蹲姿势准备，以增大稳定角，降低重心。

众所周知，按照牛顿的第三定律，力的作用是相互的，每一个作用力均会存在一个与它大小相等，并且方向相反的反作用力。于是，排球运动员为了提高移动的加速度，除了增加蹬地的作用力之外，适当地减小蹬地角也有利于获得最大的水平方向加速度。

我们可以看到，排球运动员在传球时通常会十指张开呈半球状，这是因为当合力方向相同、大小相等时，分力越多，一个分力的扰动就越不容易对球的方向造成偏离。传球时，扩大出球面增加出球点，能提高球的灵活性，使运动员可以更好地控制球的方向。

而在垫球时，排球运动员的手臂与手掌成三角形，同样可以确保垫球手臂的稳定性。若球不旋转，运动员可以利用入射角与反向角的原理击球。若来球旋转，除了球给手臂一个作用力和手臂给球一个反作用力外，球的旋转力也会作用于手臂，而手臂也要给球的旋转一个大小相等、方向相反的反作用力。这样，球触手后，反弹方向则为反弹力和旋转反作用力的合力方向。

由于规则的限制，发球时和击球时运动员主要是通过作用力的变化，来使球体获得不同程度的动量变化。冲量与动量作为我们对物体受力情况以及物体速度之间变化的研究规律，也被作为物体运动过程中必须要遵守的物理规律。物体动量的增量等于它所受合外力的冲量，或所有外力的冲量的矢量和。所以，在排球比赛中，防重扣球和接大力发球时，由于来球的力量较大，不但不能主动用力还击来球，还要用手臂随球屈肘后撤，加长受力距离和时间，减小球给手臂单位时间力量，以达到缓冲的目的。

发飘球时，排球运动员要使作用力通过球体重心，使球不发生旋转。击球时，手和球的接触面要小，发力突然、短促，手腕跟球的时间要短。这样飘球的运动轨迹就会周期摆动，或是以突然失速下坠的方式运动。扣球时，运动员发挥上体和手臂向上的加速作用，通过制动增加踏跳时给地面的作用力，从而增加了支撑反作用力，用力跳起，击球动作就像鞭打的动作，运用力学原理使其末梢部分产生极大的运动速度。拦网时，起跳特别讲究下蹲的角度，对髋关节、膝关节、踝关节角度都有很严格的要求，从力学角度讲，这些要求容易发挥各肌肉群的最大力量。

俗话说:“外行看热闹，内行看门道。”想要真正看懂排球，就得明白其中的物理原理，包括排球表面的空气动力学。