9.18 乒乓球高抛发球仿真系统的研制
<p>乒乓球高抛发球仿真系统的研制</p>
<p>房杰，张辉，杨均匀
首都体育学院学报 2011年3月 第23卷 第2期</p>
<p>研究目的：
从乒乓球发球的抛球、拍击球、球飞行、球与球台碰撞4个过程进行建模，编写高抛发球的动态仿真软件，研究各种因素(例如抛球高度、抛球角度、触球点、发球线路等)对发球飞行弧线的影响。</p>
<p>文章脉络：
发球是贯彻战术意图、克敌制胜的重要环节。采用计算机仿真技术研制乒乓球高抛发球仿真软件，可以进行有
关高抛发球的动态模拟实验，以直观仿真图像实时显示出不同的高抛发球技术对球的飞行轨迹的影响。
<strong>1 系统建模的基本思路</strong>
采用Visual C+ +设计高抛发球的动态仿真软件。系统模型由乒乓球、球拍、球台和球网构成。
<strong>2 力学分析
2.1 抛球过程</strong>
抛球过程中，忽略空气阻力对球上抛和下降的影响，球只受重力的影响。
球下降到某高度h被球拍击中时的速度：<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=cea9f6344f675588a1d646ac7cd2cbe2&amp;file=file.png" alt="" />
球此时离抛球点的水平距离：<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=baa02863630eaade151ebe94235bbe90&amp;file=file.png" alt="" />
<strong>2.2 球拍击球过程</strong>
击球时球拍向前倾斜：
球体除了受到球拍的正面撞击力N之外，还受到球拍表面的摩擦力f。击球后，球体向前旋转前进，如图1.
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=738d16d02da48fc233cdb1586f28df44&amp;file=file.png" alt="" />
击球时球拍后斜：
球体受到球拍的正面撞击力N，还受到沿拍面向下的摩擦力f.
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=adeb64724f8ff3d309f1da5281363aba&amp;file=file.png" alt="" /></p>
<p>发球时球拍对球的作用是碰撞问题，可以采用冲量定理和冲量矩定理来进行求解。
<strong>2.3 球飞行过程</strong>
球受到球拍作用后，不仅受重力的影响，还受到空气阻力的影响以及马格努斯力的影响。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=70d5d248d4e34fa85071ef6f901ef22d&amp;file=file.png" alt="" />
（1）上旋球在上升阶段
沿水平方向：
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=d3c57bc2b3790b4c359bfeb7a55f5af5&amp;file=file.png" alt="" />
沿垂直方向：
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=0ccd5c84b5d303c7d24d44e7bba86519&amp;file=file.png" alt="" />
（2）下旋球在下降阶段
沿水平方向：
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=4ef39ad6727936d95dcfa7aa48d8d95d&amp;file=file.png" alt="" />
沿垂直方向：
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=29ee3ea7160a97a8def98c3997e1d611&amp;file=file.png" alt="" />
（3）下旋球在上升阶段
沿水平方向：
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=352ac845dbb6c6cb0e0282acb1d1eab9&amp;file=file.png" alt="" />
沿垂直方向：
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=63df9a7f6e41d7cd8965a10088748c36&amp;file=file.png" alt="" />
（4）上旋球在下降阶段
沿水平方向：
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=b06e3f1342edc9cac5129ed784a198c1&amp;file=file.png" alt="" />
沿垂直方向：
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=89249e6d803eb06f3faa7dfc3c016d16&amp;file=file.png" alt="" />
<strong>2.4 球与球台的碰撞过程</strong>
球与球台的接触是碰撞问题，碰撞后水平方向的速度为<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=54ceeb5e12c3e6361b74f04de69939fa&amp;file=file.png" alt="" />
转动角速度为<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=20d187f32f541f929f046067a52250ac&amp;file=file.png" alt="" />
<strong>3 仿真系统的结构</strong>
乒乓球高抛发球仿真系统由3部分组成，即基础参数设置、击球因素设置、模拟演示与数据显示。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=0e64d40bb676d0fae9fb998b14a44862&amp;file=file.png" alt="" />
<strong>4 仿真系统的功能
4.1 基础参数设置</strong>
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=f3f1237ca39621d5955ada17dcb20cde&amp;file=file.png" alt="" />
<strong>4.2 击球因素设置</strong>
（1）抛球高度
可以通过起抛点离端线的距离和离台面高度来固定抛球位置，同时通过间隔高度调整每次模拟实验时抛球的间隔高度，使其在0～3m范围内依次增高抛球。
（2）抛球角度
系统可以调整向内倾斜角度来进行模拟，通过变化内倾角度观察其对发球飞行弧线的影响。
（3）拍触球部位
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=c088638d6b3633ada2d9cd975be7cba0&amp;file=file.png" alt="" />
（4）击球点
是指发球时拍和球接触的那一点所处的空间位置。
（5）发球线路
可以通过设置不同方向的球可以分别模拟直线、中路和斜线发球。
<strong>4.3 模拟演示和数据显示</strong>
（1）发球模拟演示
（2）飞行弧线演示
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=69f5e1cc43a4c031f0b07a8c697946b8&amp;file=file.png" alt="" />
（3）特征值显示
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=211b726ee52ad22c394c41be5ccf4991&amp;file=file.png" alt="" />
（4）打印
<strong>5 实例应用
5.1 模拟条件设置</strong>
拍触球时间0.01s；法向上受力1.1N；切向上受力0.9N；旋转40r/s；拍与球的触球点分别为1～2点(上旋球)和4～5点(下旋球)；击球点高度0.16m；击球点离球台端线0.05m；球垂直上抛，抛起高度为0.46～ 2.86m，每间隔0.3m模拟实验一次，发球线路为中路，观察不同抛球高度的高抛发球飞行弧线特征并导出各特征点数据。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=f032e41c1424e9f916edf3d2050b54be&amp;file=file.png" alt="" />
<strong>5.2 模拟结果</strong>
（1）随着抛球高度的增加，第1落点距离越来越小，即第1落点离本方球台端线越来越近。
（2）随着抛球高度的增加，球与台面碰撞以后，沿垂直于台面的速度越大。因此，第1弧线高度越来越高，同时第1弧线的距离也越来越长，这使得第2落点的距离球网的距离越远。
（3）随着抛球高度的增加，第2弧线高度也随之增加，同时第2弧线的距离和球的过网高度也在增加。
（4）随着抛球高度的增加，球从对方台面弹起后，第3落点离对方台面端线越近(当第3落点不出台时)，或者越远(当第3落点出台时)。
<strong>5.3 分析与讨论</strong>
（1）模拟实验表明抛球高度对发球的飞行弧线有着较大影响。在其他条件相同的情况下，球抛得越高，发球的第1落点距球台端线就会越近，第1弧线和第2弧线都会越高、越长，第2落点离球网越远，第3落点距离端线越近，而球过网高度也越高。
（2）在高抛发球时，必须根据抛球的高度，调整拍形、用力方向等才能发出高质量的球，而不能简单地认为，高抛发球时，球抛得越高越好。
<strong>6 结论</strong>
（1）以理论力学为依据，运用计算机仿真技术，建立此乒乓球高抛发球仿真系统，使其具备实时显示乒乓球高抛发球的模拟场景、飞行弧线以及各特征点的值。
（2）模拟实验表明抛球高度对发球的飞行弧线有着较大影响。
（3）乒乓球高抛发球仿真系统是体育学与理论力学以及计算机仿真学交相互融的结果，它将为提高发球技术水平开辟新的途径，同时也将为进一步从事乒乓球其他技术的研究奠定坚实的基础。</p>