摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。

“随着网球拍制作技术提高和头部面积增加，‘甜区’也不断扩大，让当代运动员尝到不少‘甜头’。”

话说网球

如果说1988年汉城奥运会是团圆的盛会，那么这种团圆还应该包括网球在阔别64年后的重新回归。捷克斯洛伐克选手麦日奇和联邦德国选手格拉芙分别夺得男女单打冠军，网球从此又成为“奥运大餐”的一道“主菜”。早在1896年雅典首届奥运会缔造的时候，网球便是“开国元勋”。1900年的巴黎，网球又成为女子闯入奥运会的先驱。然而到了1924年，由于国际奥委会和国际网联对职业运动员的身份界定和参赛资格发生严重分歧，网球从此离开了奥运大家庭。半个多世纪，网球已经成为全世界赛事最多、规格最高、奖金最丰的体育运动项目，温布尔登、法网、美网、澳网的大满贯比赛如火如荼，世界顶级网球明星层出不穷。“破镜重圆”后的奥运会变得更加完整并迈开了向职业化开放的重要一步，网球则重新驰骋在人类最广阔的体育舞台而得以空前普及。

1920年安特卫普奥运会女子网球双打冠军吉蒂

都说网球是最机智灵活又迅猛强悍的运动。美国选手罗迪克发球速度达每小时246.2公里。运动员在100多平米的地界闪展腾挪，全身640块肌肉几乎都要被调动，一场下来男子平均要跑6000米，在不允许教练场外指导的情况下独立决策1000多次。快如闪电，力如重炮，旋转落点变化无穷，这正是网球的魅力之所在。而球拍、场地与球之间错综复杂的力学关系则是至今争议不断的话题。

这个穿着黄色“麦尔登毛料外衣”，藏在密封压力罐中的网球当年曾经是一幅寒酸相。最初的网球只是在皮革或布套内充填一些马鬃、头发和碎布之类。此后渐渐发展为橡胶内核缠上毛线。现代网球将两个橡胶半球热压充气，然后用两块形同鞋垫的呢绒垂直“相吻”将球覆盖，再进行接缝胶合。球的尺寸、重量、弹性都有严格规范。对于球如何在地面弹跳的机理已经属于常识。受到冲击力后网球会产生弹性形变，当压瘪的球恢复原有形状时，就将贮藏的弹性势能释放出来，推动球从地面一跃而起。网球和地面的碰撞一般不是“正撞”而是“斜撞”，惯性力的作用使球在碰撞前后水平速度损失很小，反弹力则使球获得垂直的速度分量。球的旋转和地面摩擦产生的力矩也会影响弹跳的角度。回弹之后网球大约损失40%的动能，变成无用的热和声。网球表面绒毛也绝非装饰，它的“蓬松性”增大了空气阻力有助于网球减速，“粗糙度”则有利于增强网球的旋转效应。为了适用于不同海拔高度和质地的赛场，网球也按高中低弹性划分不同的规格标准。

网球和地面碰撞瞬间

网球拍毫无疑问是个奥妙无穷的“掌上尤物”。早年网球拍的框架和手柄用实心木材制成，此后变为多层木板粘合。直到1965年才出现金属拍框，铝、镁、锌、铜等都被用来加入过合金的配方。1980年开始使用玻璃纤维、碳纤维以及陶瓷纤维和卡夫拉纤维。材料的变革使网球拍更轻量化和更有强度。由于复合材料拍框能够承受比木质拍框更强的网线拉力，因此可以将卵形拍头的面积做得更大。使得球拍的威力全面升级。

如果把球拍比作一把琴，拍线便是它的琴弦。网球拍很早便用羊肠的浆膜来制作拍线，由于羊的肠子不足8米长，而一只球拍子需要约１2米拍线，于是牛肠便成了取材的首选。值得惊叹的是，尽管此后发明了尼龙、聚酯、卡夫拉等五花八门的合成纤维，但弹性和手感至今都无法超过“牛肠线”。当代的大牌运动员都把使用牛肠线球拍作为档次和身份的标志。不过这些动物内脏产品除了成本高，耐久性也相对较差。人们发现用尼龙纤维做网球拍的竖线以增加强度，以牛肠线作横线以增加弹性，可以收到互补的效果。

天然肠线拍弦

合成纤维拍弦

拍弦上紧后过一段时间会自动变松，这是弹性材料“蠕变”的结果，应该及时调整和更换。至于究竟把球拍的网线拉力定位到多大才是最佳值，则需要因人而异，但却有基本的原则可以遵循。网弦绷得越紧，强度越大，击球时拍面的形变越小，和球的接触时间越短，施加在球上的力量也越小，但对球的控制性能好。反之如果网弦调松些，击球时拍面变形大，对球的做功时间长，传递到球上的力量也相应增大，但却会牺牲控制的精确度。如同一只弹弓，拉得越长，力量越大，但“准头”越差。另外还应考虑到，在网球和球拍碰撞的５毫秒左右时间里，两者都会发生弹性形变，但球的形变能量损失大，球拍的形变能量损失小。用“软”拍的较大形变换取球的较小形变，会更经济的使用能量。当然，拍弦的紧和松都在一定临界范围内，捕捉蝴蝶的“网”就没有任何弹性可言。一个有趣的事实是，你以每小时100公里速度挥拍，却可以打出每小时200公里速度的球。因为球速是挥拍速度和拍弦弹性回复速度的叠加。

网球拍击球瞬间

网球拍上有个最妙不可言的地方，那便是人们时常谈及的“甜区”。球打在“甜区”上时，回馈的力量最大，手上感觉的震动最小。如果球打在远离“甜区”的地方，则不仅力度大打折扣，而且手上常被震得“麻酥酥”的，如同握着一把小的风镐电钻。“甜区”为什么这样“甜”，人们至今并没有达成高度一致，但却取得不少基本共识。甜点的扩大还使得运动员罹患“网球肘”的危险降低，从而延长了他们的职业生涯。

不妨先借棒球运动员手中的武器一用。拿一根球棒找到重心并做上记号，柄朝上垂挂起来，拿锤子敲击球棒。如果打在重心上，球棒会按照同一加速度整体移动，但如果打在远离重心的末端，球棒两头就会向相反方向转动。不断试着移动打击位置，当敲在一个“恰到好处”的点上时，球棒的转动轴会和握柄重合，这个“恰到好处”的点就叫球棒的“打击中心”。在这个“中心”上打出去的球是不会对手产生转动力矩的。网球拍的情况和球棒一样，从拍面纵轴上的一个“点”击球时，不会给手带来震荡和反弹。这个点附近网弦的形变复原系数也最高。另外还有一个“震动节点”，球打在上面时拍子引起的震动最小。所谓球拍的“甜区”就是这两个点相邻近的区域。随着网球拍制作技术提高和头部面积增加，“甜区”也不断扩大，让当代运动员尝到不少“甜头”。今天最快发球速度的纪录不断突破，与其说是选手们的力气一代比一代大，不如说是球拍一代比一代“甜”。

a 确定球棒重心 b 打击中心 c 球棒重心 网球拍甜区

网球场地的性能同样至关重要，它不仅关系到球会怎样跳，还决定人该怎样跑。坚守传统、富贵典雅的温布尔登网球赛是唯一使用天然草坪球场的世界顶级网球赛事。草地摩擦力小，球速快，弹跳低，运动员多在前场短兵相接。我们把草地称为“快速场地”是因为这里的比赛更容易“速战速决”。法国公开赛使用的红土场地别具特色、自成高格。这是用红砖粉碎后的颗粒铺就，表面还撒有细碎粉末的球场，运动员可以在上面滑动脚步。红土场地的摩擦系数大，球减速快，弹起高，运动员更容易在后场“远程攻击”并充分发挥旋转球优势。这种场地之所以被称为“慢速场地”是由于每球打过后有相对从容的时间等待下一个来球，整场比赛也容易形成“拉锯战”。美国公开赛和澳洲公开赛用的是硬场地，以水泥、沥青覆盖涂料或橡胶，属于“中速球场”。不少运动员在一种场地“如鱼得水”，在另一种场地却“水土不服”。费德勒是草地高手，阿加西是澳网霸主，纳达尔是红土巨星，“天时不如地利”，网球运动也因此而更加丰富多彩。

今天先进的地下灌溉系统和激光平整技术把越来越多的科技含量注入网球场。从穷乡僻壤的学校到迪拜的七星级旅馆平台，地球上已有200多个国家拥有网球场百万个。另一番景观是从模压、钻孔、穿弦、检验的球拍生产线到源源不断的发球机喷射口，网球器材的面貌正与日俱新。网球在全世界的胜利不仅因为越来越多的职业选手相率走到了五环旗下，更因为这个曾经洋溢着奢华气息的贵族运动正走向五大洲的寻常百姓中。

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