风速对乒乓球比赛影响的分析

王贺文，陈 静，圣宗强

（1. 安徽理工大学 体育部，安徽 淮南 232001；2. 淮南一中，安徽 淮南 232001）

风速对乒乓球比赛影响的分析

王贺文1，陈 静2，圣宗强1

（1. 安徽理工大学 体育部，安徽 淮南 232001；2. 淮南一中，安徽 淮南 232001）

对体育场馆内风的成因进行了分析，认为乒乓球比赛时场馆内不可能做到绝对无风。就不同风力对乒乓球飞行轨迹的影响进行了定性分析，认为在球速相对较慢（V风≥1 m·s-1，V球≤5 m·s-1）时，不论是在顺风还是逆风状况，乒乓球的运行轨迹及其落点都会受到风力的影响，因此乒乓球比赛时必须重视赛场内的风速检测，对能引起赛场内风速的因素加以控制。

风的成因；乒乓球运动；影响分析

1 前言

许多体育项目在不同程度上都会受到风的影响。国际业余田径联合会的规则规定，对部分如100米、110米栏、200米、跳远和三级跳远等项目要测定风速，当顺风风速超过2 m·s-1时，比赛成绩只能用于决定当场比赛名次，而不能作为比赛记录。在标枪投掷比赛中，风向和风速的综合作用对于标枪投掷距离影响较大，风速对标枪飞行远度的影响成正比关系[1]；羽毛球比赛明确规定场馆内风速为0 m·s-1。乒乓球和羽毛球比赛一样，都设在室内体育馆举行，大型体育场馆内比赛时是否有风，对乒乓球比赛是否产生影响？本文将进行探讨。

2 风的成因与测量

2.1 风的成因及等级

风是空气的水平运动，自然界风形成的直接原因是水平气压梯度力[2]。如图1，地平面3区因受热升温，使得空气膨胀上升，4区因温度低于3区，使空气收缩导致空气下沉，这样空气垂直运动的结果就使同一平面上气压产生了差异。近地面3区——低压，4区——高压；空中1区——高压，2区——低压（同一平面上的相对状况）。当同一平面上有了气压差异，就会产生促使空气由高压流向低压的水平气压梯度力。在该力的作用下，1区空气就会向2区流动，4区空气就会向3区流动，这样空气在同一水平面上流动就产生了风。可见，水平气压梯度力是风形成的原动力，直接决定了风速与风向。这种由于冷热差异而引起的3→1→2→4→3空气环流运动称作热力环流。

图1 热力环流图

风力的测量一般都使用风速计，陆地上风力等级从0级直到12级，见表1。

表1 风力等级表

从表1可见，低于0.2 m·s-1以下属于无风，当风速达到2级（1.6-3.3 m·s-1）时，人会感觉到有风。在世界大型体育比赛中，只有田径、羽毛球和网球等少数项目在比赛时测量风速，而乒乓球等许多室内比赛都没有对室内风速进行测量，然而在赛场的入口处经常能感觉到风，此时此地风速至少在1.6 m·s-1以上。

2.2 引起场馆内风的因素分析

在场馆内比赛，引起场馆内风的因素很多，比赛时大型场馆内不可能做到绝对无风。乒乓球比赛场馆内空间相对较大、通风口较多，在比赛时虽然与外界有一定程度的隔离，但不可能做到完全隔离，当室外风速较大时，易受场外风的影响使馆内空气对流产生弱风。即使在室外无风的气象条件下，从风的形成原因来看，大型比赛场馆内观众人数多，造成馆内温度升高，产生室内外的水平气压梯度，形成热力环流，在场馆的出、入口和窗户等通风处产生明显的风。大型比赛时场馆内因观众人员密集、湿热严重，要求在密集区有间歇性的送风，场馆内便产生了风。场馆内人员的走动、运动员的快速跑动也会造成空气流动，瞬间产生风。场馆内不同的地方风速不同，靠近出、入口处风速要大一些，靠近场馆中央风速要小一些。

3 乒乓球在空中飞行时受风力影响的定性分析

3.1 乒乓球在空中运动时受力分析

图2 乒乓球在飞行时的受力分析图

乒乓球自身重量较轻，起始初速度低于400 km·h-1（研究表明乒乓球最快球速可以达到150 km·h-1），飞行时平均时速相对较小，属于低速空气动力学。根据流体力学原理可知，乒乓球在空中飞行时主要受空气阻力、重力和风力等作用（见图2）。乒乓球所受重力G是一个定值（球重2.7 g，直径40 mm），根据(1)式，得出重力为0.002 67 N；空气阻力是一个变量，与空气密度和物体的运动速度、形状、体积、旋转等有关，由摩擦阻力（气流流经物体两侧时，由于空气的粘性而形成的摩擦力）和压差阻力（是运动物体沿运动方向前后两面所受的压力差）共同构成，摩擦阻力与球体的受力面和光滑度相关，压差阻力大小受球体的旋转影响，这两种阻力在物体同一速度情况下，因物体的形状不同会产生相当大的差异。在不考虑乒乓球的旋转理想状况下，乒乓球飞行时在空气中所受空气阻力可用公式（2）计算，其中S是物体与空气流速相对的正面投影面积，ρ是空气密度，η为阻力系数（见表2），空气密度和阻力系数在常温下为定值（ρ=1.293 kg/m3；η=0.5），V为空气和物体二者相对速度。由阻力公式可以看出，空中飞行的球体所受空气阻力与二者相对速度平方成正比，与物体正面投影的面积成正比[3]，通过对不同球速计算可以求出空气阻力大至对应的数值（见表3）。乒乓球在空中飞行时所受到风力大小和方向都是一个变量，根据公式(3)可知，求风力必须知道风压和风的密度，风的密度计算很复杂，乒乓球受风作用力的面积计算也比较复杂，同时空气的温度、密度、压强、速度、单位流量等对风力都会产生不同程度的影响，因此乒乓球受到风力很难准确计算。

表2 不同物体在常温状况下阻力系数值（η值）

表3 不同球速下空气的阻力值（近似值）

3.2 风对乒乓球飞行轨迹影响的定性分析

由上述乒乓球在空中受力分析可知，乒乓球因质量轻，整个球的密度很小，但受力面积相对较大；乒乓球初速度很快（V球≥20 m·s-1）时球体受到的弱风力（V风≤3.3 m·s-1）和重力值（0.002 67 N）与球体所受的空气阻力（≥0.625 N）相比很小可以不予考虑，主要考虑空气阻力与球速的关系；当乒乓球受到空气的阻力以球速的平方在急速减少并且球速降至10 m·s-1以下时，在风向与球的飞行方向一致的条件下，球体在空中所受的空气阻力和风力二者合一，可直接用空气阻力来计算（见表4和表5）。由表4、表5可见，在V风=1.0 m·s-1，V球=5 m·s-1和10 m·s-1状况下，乒乓球在逆风、无风和顺风时乒乓球所受的力，中间最大差值为0.016 3和0.033，都已经超出了球体所受的重力值。因此在V风≥1 m·s-1、球速下降到V球速≤10 m·s-1时，风的作用力对球的影响已非常明显，必须加以考虑。

表4 顺风时不同风速下空气的阻力值（近似值）

表5 逆风时空气的阻力值（近似值）

乒乓球在空气中运动是一个非常复杂的流体运动系统。正常情况下，乒乓球自身会有不同程度的旋转，其速度和受力情况时刻都在变化。因此风对乒乓球飞行轨迹影响程度很难做出定量的计算分析；但可以肯定的是在乒乓球速较慢的情况下，即使是弱风对乒乓的运行轨迹也会造成很大的影响，风速越大影响越大。顺风一方会增加球速、延长乒乓球的落点，逆风方则会阻碍球速、缩短球的落点；侧风时乒乓球飞行轨迹会发生明显的左右偏转。这样会直接影响运动员对球飞行轨迹的正确判断，造成回球失误。在乒乓球比赛时，经常可以看到水平很高的运动员在比赛中莫名其妙的失误，尤其在运动员侧身准备拉球时经常会发生漏球、对不上点等现象。因下旋球球速较慢、且带有明显的回旋，运动员需要快速移动侧身，带动了瞬间的空气流动，对球的飞行轨迹必定产生不同程度的影响，从而造成运动员对击球点和击球位置的判断失误。

3.3 乒乓球比赛时的风速测定

在场馆内进行乒乓球比赛时，一般要求场馆的风速小于0.2 m·s-1左右，国际奥运会要求乒乓球和羽毛球场馆在比赛时，室内风速必须降到0.2 m·s-1以下。而在现实许多乒乓球比赛中对风速的要求和测量还没有被重视。2008年北京奥运会乒乓球、羽毛球场馆在建设时先采用大的通风口输送冷气，经过多次室内风速计测量后，发现场馆冷气的风力很难控制在0.2 m·s-1以下，后来设计者改大的通风口为在每个座位上装一个小的出气口，方便输送冷气。由此可见北京奥运会的比赛场馆内都不能保证比赛期间风速低于0.2 m·s-1，因此准确、方便地测量比赛现场的风速对乒乓球比赛是不可缺少的。

室内风速的测量可以采用五点测量法，即对四周的4个点和中间的1个点分别进行测量，在比赛的不同时期都要进行测量，防止室内风力发生变化。当风速影响到乒乓球飞行的轨迹，不能认为风速对双方队员都产生了影响，而无视风速的问题，为了比赛的公平、公正可适当暂停比赛，当室内风速降至不影响球速时，可继续进行。同时模拟大型场馆的气候条件，加强风速对乒乓球影响的研究，对运动员科学训练也有帮助。

4 结论

乒乓球比赛大型场馆内不可能做到室内无风，乒乓球在球速较慢时其运动轨迹容易受风力的影响，必须考虑场馆内风速因素，应加强赛前、赛中室内风速的测定，减少比赛时引起室内风速的因素。

[1]李远乐.风对标枪飞行初始条件及远度的影响[J].中国体育科技,2002(7).

[2]潘树荣,伍光和,陈传康,等.自然地理学[M].北京:高等教育出版社,1999:98-104.

[3]李冀祺.流体力学基础[M].北京科学出版社,1983:120.

[4]霍洪峰.重力,科里奥利力和不同等级风速对射击比赛中子弹飞行轨迹的影响[J].天津体育学院学报,2007, 22(2).

[5]《运动生物力学》编写组.运动生物力学[M].北京:高等教育出版社,2000:281-290.

[6]张翠翠.2008奥运羽毛球馆新型炫支穹顶结构风振响应及风振系数研究[D].北京:北京工业大学,2008:4.

（责任编辑、校对：孙海祥）

Analysis of Table Tennis Competition Affected by Wind Speed

WANG He-wen1, CHEN-jing2, SHENG Zhong-qiang1
(1. Department of Physical Education, Anhui University of Science & Techniques, Huainan 232001, China; 2. Huainan No.1 High School in Anhui, Huainan 232001, China)

After analyzing the formation of wind in stadium a conclusion is drawn that no wind is impossible in stadiums when a competition is on. Qualitative analysis of the impact of wind power on the pingpang ball’s flying trajectory has been carried out. The pingpang ball’s flying trajectory will be impacted when its speed is relatively smaller than that of the wind in spite of the wind’s direction. It is suggested that attentions should be paid on the check of wind speed in stadiums and some measures should be adopted to control the factors of wind speed.

formation of wind speed; flying lines of table tennis; factors analysis

G846

A

1009-9115(2012)05-0084-03

2012-04-09

王贺文（1975-），男，安徽淮南人，硕士，讲师，研究方向为体育教学与训练。